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诺奖风向标来了!mRNA技术获拉斯克临床医学研究奖

知识分子  · ZhiHu-Article  · 科学  · 2021-09-26 08:42

2021年拉斯克奖揭晓,两位mRNA技术的发现者获得临床医学研究奖 | 图源:laskerfoundation.org



导 读

拉斯克奖被誉为诺贝尔奖 “风向标”,2020年因新冠疫情停颁一年,2021年发给mRNA疫苗。不久前,mRNA技术刚刚获得了新一届美国科学突破奖(Breakthrough Prize),关于卡塔琳·卡里科(Katalin Karikó)和德鲁·魏斯曼(Drew Weissman)的故事也因为新冠mRNA疫苗的成功研发被越来越多的大众知晓。


不过,也有质疑声音认为,一般获奖成果需要时间考验。即便是杨振宁李政道在论文发表一年后就获颁诺贝尔奖创了纪录,但宇称不守恒已经得到吴健雄等人实验的验证。而新冠mRNA疫苗投入使用时间较短,其有效性和安全性都需继续观察,未来会不会被其他技术所取代,目前也仁者见仁,智者见智。

撰文 | 常春藤 郭晓强 闫思宇
责编 | 刘楚 常春藤


北京时间9月25日零点,2021年拉斯克奖宣布将临床医学研究奖授予两位科学家——来自BioNTech的卡塔琳·卡里科(Katalin Karikó)和她此前在宾夕法尼亚大学的同事、免疫学家德鲁·魏斯曼(Drew Weissman),以表彰他们发现了基于mRNA修饰的新治疗技术。

获奖理由称:两位科学家的突破研究使得高效率的Covid-19疫苗得以被快速研发;除了为应对新冠大流行提供疫苗重要工具外,这项创新还推动了一系列不同疾病的治疗和预防工作。

新冠疫情以来,辉瑞/BioNTech和Moderna的mRNA疫苗获得广泛应用,这种疫苗递送的mRNA能指导细胞制造新冠病毒刺突蛋白,从而引发人体抗体表现。但曾有几十年的时间里,mRNA疫苗被认为是不可行的,因为注射mRNA会诱发不必要的免疫反应,导致mRNA被即刻降解。而卡里科和魏斯曼在2005年前后发现,将mRNA中一种称为尿苷(uridine)的分子替换成类似的分子假尿苷(pseudouridine),就能避免这种免疫反应的发生。

2020年4月,作为被寄予厚望、结束新冠大流行的关键工具,《纽约时报》发表长文介绍mRNA疫苗以及技术背后的卡里科, 65岁的卡里科才被公众广泛了解。

截至日前,卡里科已经因为mRNA技术获得了十多个大奖,但在此之前的学术研究生涯里,她始终未能获得终身教职,并在后期选择加入BioNTech从而步入工业界。

而同样不可忽视的另一位mRNA技术重要贡献者就是卡里科在宾夕法尼亚大学时的同事、免疫学家德鲁·魏斯曼。

1997年,魏斯曼成为了宾夕法尼亚大学的一名新教员之后,二人在使用学校中的复印机时偶遇,两人攀谈起来并互相介绍自己的工作。

彼时,作为一位RNA生物学家,卡里科正在积极推动mRNA的应用,不过她的研究正陷入窘境,一方面多年申请基金未果,另一方面与多位科学家包括心脏病专家巴纳森(Elliot Barnathan)和神经外科专家兰格(David Langer)合作,期待mRNA能在心脏和大脑等疾病治疗中发挥作用,遗憾的是也毫无进展。

卡里科在mRNA研究中面临的最大难题是:注射mRNA后可激发机体严重的天然免疫反应,有时会造成受试动物死亡。而魏斯曼恰好是一位免疫学家,精通免疫学基本原理和相关实验操作,他当时在探索HIV疫苗制备方法,最初采用的是DNA疫苗策略,遗憾的是未获成功。

与卡里科交谈,魏斯曼获得的信息是可尝试采用mRNA策略,因为相对于DNA疫苗,mRNA疫苗具有更大优势。就这样卡里科以初级研究员的身份加入魏斯曼的实验室。如果当时没有这场邂逅,卡里科很有可能在接下来的几年被扫地出门,此前她就因为没有申请到经费,被降薪降职。

至于mRNA疫苗为何比DNA疫苗有优势?首先简便,DNA需首先跨过细胞膜,然后再跨过细胞核膜进入细胞核,而mRNA只需跨过细胞膜进入细胞质即可,困难程度大大降低;其次安全,DNA是遗传物质,在细胞核具有插入宿主DNA引发突变的风险,而mRNA则不会。如此美好的前景下,两人立即达成合作协议,启动mRNA疫苗研发。

魏斯曼和卡里科合作是一个非常成功的典范。疫苗是mRNA最佳应用方向,尽管mRNA提供无限可能,而疫苗无疑是最成功的,如果不是疫苗而是药物的话,可能还要等上几年甚至几十年。

然而,“现在每个人都明白mRNA技术的重要性,可惜那时候却没有,” 卡里科曾在接受采访时感叹道。


来自匈牙利小镇的女科学家


1955年,卡里科出生于匈牙利东部小镇小新萨拉什,从小就对自然科学感兴趣。1972年,卡里科进入匈牙利最著名的大学之一塞格德大学就读,并于1977年遇见了自己未来的丈夫贝拉·弗朗西亚(Béla Francia)。1978年,卡里科在塞格德大学拿到了博士学位,随后进入塞格德生物研究中心工作,主要研究RNA。

1985年,塞格德生物研究中心因缺少经费开始减员,卡里科被裁后申请到了美国天普大学的博士后职位,便离开了匈牙利。

1989年,她以助理研究员的身份从天普大学来到宾夕法尼亚大学医学院埃利奥特·巴纳森(Elliot Barnathan)实验室。当时她与巴纳森一起尝试将mRNA注射到细胞中,看是否能产生蛋白质,然后利用同位素技术看这些蛋白质在细胞中哪个位置以及如何发挥作用。然而当时RNA技术不被外界接受,后来巴纳森离开学术界去了一家制药公司,卡里科失去了依靠,就此彻底地失去了研究经费来源。

1997年是卡里科研究生涯的重要转折点,她在宾夕法尼亚大学医学院偶然碰见刚加入医学院的新教员魏斯曼。魏斯曼向她介绍自己是研究艾滋病病毒疫苗的,而卡里科则介绍说,“我是一个RNA科学家,可以做有关mRNA的任何事。”

当时魏斯曼一心想研制出艾滋病疫苗,他觉得也许可以试试卡里科的mRNA技术,就这样魏斯曼将卡里科引入到自己的实验室。

于是,卡里科和魏斯曼开始专注于利用mRNA技术进行疫苗开发。后来,他们关于如何抑制mRNA疫苗引起的过度免疫的相关文章发表在Immunity 杂志上。

2005年,斯坦福大学读博士后德约克·罗西(Derrick Rossi)注意到了卡里科和魏斯曼发表在Immunity 上的论文,他认为这篇文章很有开创性,当时他主要从事干细胞方面研究,希望通过这种修饰后的mRNA来让成熟的细胞重编程,重新回到干细胞的状态。

2009年,罗西的研究颇有进展,于是他告诉哈佛医学院的蒂莫西·斯普里格(Timothy Springer)这一结果,斯普里格同时是一位医药企业家。随后,斯普里格告诉了更资深的学者罗伯特·兰格(Robert Langer),兰格建议罗西可以用“这个技术来研发药物、疫苗,以及其他所有的可能”。

2010年,罗西、兰格、斯普里格以及 Kenneth Chien,一起成立了Moderna公司。2014年,罗西从Moderna公司退休,目前他在Moderna公司没有任何职务。

而在2006年,卡里科和魏斯曼也创立了一家公司RNARx,卡里科担任这家公司的CEO,此后RNARx获得了来自政府的90万美元的资助。然而,2010年,宾夕法尼亚大学将卡里科和魏斯曼的专利卖给了实验室供应商Cellscript的老板Gary Dahl。RNARx公司尚未进入临床的项目就此夭折了。

此后,Moderna的投资公司之一 Flagship Pioneering 曾找到卡里科,只可惜当时这个专利已经被卖掉了。没有专利授权,Moderna只好自己来修饰核酸,并能重复卡里科的结果,2014年,Moderna获得了自己的专利。与此同时,Gary Dahl 也将卡里科和魏斯曼的核心专利转让给了Moderna和BioNTech了。

2013年,宾夕法尼亚大学不再续聘卡里科,于是她顺势加入了BioNTech公司担任公司的副总裁,当时BioNTech是一家连自己网站还没有的小公司。

进入公司后,卡里科继续她的研究,以改进mRNA 技术。如保护mRNA分子,使其能保存更长时间,因为mRNA很不稳定,通常情况下需要超低温下才能保存下来。2015 年,卡里科发现用脂质纳米颗粒包裹它们,可防止它们过快降解并促进它们进入细胞。

此后mRNA真的开始在人体进行试验,有7-8个mRNA疫苗的试验项目在开展,但没有一个mRNA疫苗成功获批上市,人们不太相信这个技术能发挥很大的价值。

没想到新冠疫情加快了mRNA疫苗的临床进展,并且被逐渐证明是一款高效率的疫苗工具,成为遏制新冠疫情的重要工具。

mRNA 技术大热让卡里科和魏斯曼成为诺奖的热门人选。此前罗西在媒体采访时表示,卡里科和魏斯曼应该获诺贝尔奖,“如果有一天谁让我推荐诺贝尔奖推荐人选的话,我会推荐他们,因为这是一个将基础科学研究推向临床并挽救了整个世界的故事”。

Moderna联合创始人Chien也表示,“包括 Moderna 在内的所有mRNA 公司都归功于卡里科和魏斯曼的原创工作。如果没有他们的发现,RNA疫苗将不会像现在这样先进。”


低调的mRNA技术背后另一功臣


1959年8月31日,魏斯曼出生于美国马萨诸塞州列克星敦(Lexington),儿时就显现出较好科学天赋,最喜欢的事情就是拆解,超强动手能力也促使魏斯曼更倾向于自然科学的学习。

1981年,魏斯曼从布兰迪斯大学(Brandeis University)毕业,获得学士和硕士学位,专业为生物化学/酶学。随后进入波士顿大学医学院,最终于1987年获得医学学位和免疫学/微生物博士学位,魏斯曼在贝斯以色列女执事医疗中心(Beth Israel Deaconess Medical Center, BIDMC)完成住院医师培训。

1989年,魏斯曼放弃了成为一名医生而选择加入美国国立卫生研究院福奇(Anthony Fauci)实验室从事博士后研究,重点是传染性疾病。1997年,38岁的魏斯曼加入宾夕法尼亚大学,正式开启自己独立的职业生涯,结识了科研挚友卡里科。

魏斯曼和卡里科合作是一个非常成功的典范,源于两个原因,首先知识互补,其实选择争取。疫苗是mRNA最佳应用方向,尽管mRNA提供无限可能,而疫苗无疑是最成功的,如果不是疫苗而是药物的话,可能还要等上几年甚至几十年。

此外,他们合作的时机也刚刚好。1996年,科学家发现固有免疫作用机制,这为避免mRNA免疫反应提供必要的理论支持,意味着如果他们合作时间提前将很难解决mRNA应用难题,而太晚别人就可能捷足先登。

尽管合作计划达成,但真正实施起来仍是困难重重,消除炎症反应当仁不让成为解决mRNA疫苗开发的重中之重。卡里科更多负责mRNA改进,而魏斯曼则负责免疫性检测。

先补充一点基础知识。免疫系统具有识别“自我”和“非我”的能力,而体外合成的mRNA可被固有免疫系统作为“非我”的外界入侵物对待将其破坏,因此无法到达细胞内发挥作用。mRNA是一种由4种核苷酸按照不同排列顺序形成的单链结构,四种核苷酸差别在于碱基不同,分别对应腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)。魏斯曼和克里克研究的向就转化为如何能操作RNA以逃过免疫系统的监视。

结果几年试错和改进完善,二人终于在2005年发现mRNA引发免疫应答的问题所在,那就是尿嘧啶(U)惹的祸,它与核糖有两种连接方式,正常情况下形成尿苷(下图左),但特殊情况下还形成假尿苷(Ψ)(下图右),恰恰就是这个微小差别则产生不同后果。魏斯曼和克里克发现使用Ψ代替U后形成的修饰mRNA,可有效躲避免疫系统的识别而不再出现炎症反应。

天然mRNA(左)和修饰mRNA(右)



这一发明在著名的《Immunity》 杂志发表,同时申请专利,对推动mRNA应用具有里程碑意义。

卡里科在获奖感言中说:今天,在接受拉斯克奖的时候,我反思了我卑微的开始和我走过的漫长曲折的道路。

在高中时,我的老师递给我一本名为《生活压力》的书,汉斯·塞利在书中写道:“采取正确的态度可以将消极的压力转化为积极的态度。” 这本书是我多年来继续成为科学家旅程的向导。

当我经历失败时,我记得塞利的话——作为一名学生,或者在实验室——所以我采取了正确的态度,寻找提高自己、更努力工作、更有创造力和表现更好的方法。我总是试图专注于我能做的事情,而不是把任何时间浪费在我不能做的事情上。

卡里科还说:我和同事们一起,在前人的发现的基础上,慢慢地找到了解决方案,并创造出了适合治疗的最佳RNA。我从来没有想过它会被用来制造对抗全球流行病的疫苗。

“当我接受拉斯克奖时,我想起了所有和我一样辛勤工作的科学家们,他们对工作充满热情,为新冠病毒mRNA疫苗的成功做出了巨大贡献。”

卡里科想到了所有可能会受到她的故事启发,想成为科学家的年轻女孩,想对他们说:“保持好奇心,采取正确的态度,坚持在正轨上,不管这条路有多长,有多曲折。”

魏斯曼则在获奖感言视频中说:尽管我们二十多年前开始的研究最终取得了重大发现并成功应用于疫苗来预防导致大流行的病毒感染,这项工作仍将继续下去。“我很高兴地说,我的实验室正在寻求新的mRNA疫苗,以防止流感和艾滋病毒等多种传染病,甚至一种泛冠状病毒疫苗,可以提供冠状病毒类别中所有病毒的保护。”

魏斯曼还开玩笑地说,他的妻子和孩子经常因为他对庆祝成功不感兴趣而感到沮丧。“当研究表明mRNA疫苗在预防新冠病毒有效率超过90%,在预防住院几乎超过100%时,我的家人想做一些特别的事情。但在接种完疫苗后,他们只是简单地吃了一顿晚餐,原因是魏斯曼只想回到实验室继续工作。


mRNA技术的贡献者们


迄今为止,mRNA技术已经获得了许多重要的奖项,也被视为今年诺贝尔奖的有力竞争者。但同时mRNA的历史也错综复杂。9月初,《自然》(Nature)刊发了一篇长文 “The tangled history of mRNA vaccines ”,回顾了mRNA技术的发展历程,从发现mRNA,到人工合成mRNA,到如何修饰mRNA降低免疫反应,再到mRNA递送系统的开发,均有涉及。

作者 Elie Dolgin 采访了大量的科学家,给我们展现了在mRNA疫苗领域,除了呼声很高的卡里科和魏斯曼,还有很多其他的人做出了重要贡献。

文章写到,首先被忽视的是一位名叫 Robert Malone 的学者,他在社交平台上以mRNA疫苗和RNA药物发明人自居。如今他已离开学术界,离奇的是,他现在成为一名反mRNA新冠疫苗人士。

早在1987年,Malone还在美国Salk研究所做研究生时就发现,通过将mRNA片段包裹在油脂中,然后将它们放置人体细胞,油脂释放出mRNA,同时mRNA会在细胞中表达蛋白质。根据《自然》这篇文章介绍,当时Malone在实验记录本上写到,RNA可被视为一种药物。此后也有人重复出他的结果。

1985年,卡里科才刚从匈牙利移民美国,直到1989年,她才来到宾夕法尼亚大学医学院埃利奥特·巴纳森(Elliot Barnathan)实验室,她做得事情跟数年前Malone的工作类似,即“将mRNA注射到细胞中,看是否能产生蛋白质,然后利用同位素技术看这些蛋白质在细胞中哪个位置以及如何发挥作用。” 卡里科在一次采访时表示。

在当时,虽然Malone认为用mRNA技术来开发疫苗价值很大,但mRNA很容易降解,稳定性很差,这让Malone左右为难。

事实上,早在1978年,就有学者通过脂质体将mRNA输送到小鼠和人体细胞中,从而进行蛋白质的表达实验。

不过,当时没有人将它看成一个有潜力的药物,主要因为mRNA在实验室难以生产,科学家们只希望通过它来了解细胞的分子特征。当时他们使用的mRNA主要来自兔子的血,小鼠以及其他动物。

直到1984年,情况才有所改观。学者 Paul Krieg 和 Douglas Melton、Tom Maniatis 以及 Michael Green 等人用RNA合成酶和其他材料,人工合成了具有活性的mRNA,这一方法至今仍在使用。

研究者还验证了新合成的mRNA的功能,Krieg将人工合成的mRNA注射到青蛙的卵中,被证实它的确发挥了作用。然而,Krieg和Melton只是将其视为一种研究基因调控的工具。

1987年,Melton觉得人工合成的mRNA可用来生产促进或抑制蛋白质的表达,并创立了一家公司,名为Oligogen(后更名为Gilead Sciences),他们做的工作是,通过利用人工合成的mRNA抑制基因表达,从而来治疗眼疾。他们从来没有想过利用mRNA来制备疫苗。

据《自然》杂志的这篇文章介绍,也许是看到了Krieg和Melton的结果,这时候的Malone如梦初醒,利用二人的方法也人工合成了mRNA,并与合作者Philip Felgner开发的脂质体,将人工合成的mRNA递送到人体以及青蛙细胞中,进行蛋白质的表达。

值得一提的是,Malone没有获得博士学位,他的导师是鼎鼎大名的因德尔·维尔马(Inder Verma),他是知名的美籍印度裔分子生物学家、癌症学家。相信很多人对维尔马并不陌生,2018年他因为性骚扰被Salk研究所开除。

由于Malone与维尔马发生了争吵,提前离开了实验室,他后来在Philip Felgner的公司进行工作,继续mRNA研究方面的研究。

经历同卡里科一样,有些坎坷,通过mRNA研究很难申请到经费,于是他开始专注于DNA疫苗和递送系统方面研究。

2001年,Malone离开学术界,开始在做一些商业和顾问方面的工作。

由于没有获得充分的认可,Malone不仅不拥护mRNA疫苗,倒成为一名反疫苗人士,他认为现在的mRNA疫苗会对儿童和青少年带来危害,而他有办法可以解决这个问题。不过,这一说法被很多研究者以及健康方面的专家驳斥了。

《自然》这篇文章也采访到了一些持有不同意见的学者,他们质疑卡里科和魏斯曼的贡献。

在上述质疑者看来,即使不用修饰的mRNA,只需将mRNA中的杂质清除干净,同样不会引起强烈的免疫应答,这主要取决于mRNA的质量。Translate bio的临床结果显示,mRNA不会引起人体强烈的免疫应答,而另一家公司Curevac则是通过修饰mRNA,减少尿苷酸的量,减少免疫反应。

如果这样的质疑最终被证实,那么会让假尿苷酸的修饰在这项技术的重要性上大打折扣,也将动摇卡里科和魏斯曼在mRNA技术上的贡献。

因此,文章作者认为,目前还不清楚到底谁的贡献大:是合成mRNA的人,还是让mRNA减少免疫反应的学者。

mRNA技术能否摘得诺贝尔奖桂冠,以及由谁摘取,一个多星期后即将在瑞典斯德哥尔摩揭晓。

致谢:感谢上海市免疫治疗创新研究院院长、中科院院士、免疫学专家董晨对本文的审阅。

主要参考资料
1.mujeresconciencia.com/2
2.u-szeged.hu/news-and-ev
3.wired.co.uk/article/mrn
4.nytimes.com/2021/04/08/
5.edition.cnn.com/2020/12
6.en.wikipedia.org/wiki/K
7.Karikó, K., Buckstein, M., Houping, N. & Weissman, D. Immunity 23, 165–175 (2005).


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