北京时间今天下午，诺奖委员会宣布将2023年诺贝尔生理学或医学奖授予两位在mRNA疫苗上做出突破性贡献的先驱：Katalin Kariko博士和Drew Weissman博士。在新冠疫情中，基于mRNA技术的新冠疫苗以创纪录的速度登上历史舞台，为无数人带来了保护，也改变了全球对抗新冠疫情的格局。将今年的诺奖颁发给他们，可谓是众望所归！而诺奖背后的故事，更是一段励志的逆袭传奇。
▲Katalin Kariko博士（左）和Drew Weissman博士（右）（图片来源：参考资料[1]）
下面，药明康德内容团队将与大家一道回顾两位获奖者与其他科学家在mRNA疫苗领域的探索历程。
屠夫的女儿
Kariko出生于匈牙利的小新萨拉什，一座人口才一万出头的小镇。Kariko的父亲是一名屠夫，当地也没有诞生过什么科学大家，但这并不妨碍年幼的她立志在将来成为一名科学家。
在匈牙利著名学府塞格德大学获得博士学位后，年轻的Kariko在大学的生物研究中心谋得了一份博士后的工作。但好景不常，不久后，研究项目断了经费，这也迫使Kariko另寻出路。
Kariko随即做出一个影响她终身的决定。当时，美国费城的天普大学有一个博士后的研究职位，Kariko与她的丈夫，以及只有两岁大的女儿决定去大洋对岸赌上全家的未来。在她动身赴美的1985年，匈牙利政府只允许她们随身携带100美元离境。Kariko偷偷在女儿的毛绒熊玩具里藏了900英镑（约合现在的2.4万人民币），这才有了立身的资本。
这是他们一家三口在异国他乡的全部家当。
▲Kariko与她的家人在1985年的合影（图片来源：参考资料[2]；Credit：Katalin Kariko）
四年后，她被宾夕法尼亚大学的Elliot Barnathan教授相中，前去他的课题组工作。这并不是什么充满前景的职位——Kariko的头衔是“研究助理教授”，虽然挂着助理教授的名字，却无缘传统的晋升通路。能在实验室留多久，完全要看科研经费是否充足。
而她的研究方向更不被人看好。当时，她的工作是要在体外合成mRNA，再将其引入细胞内，让它们产生新的蛋白质。“很多人都嘲笑我们的想法。”Barnathan教授回忆道。三十年前，mRNA领域可谓一片死气沉沉。谁也不会想到，它竟能在当下成为资本的宠儿。
至暗时刻
坦率讲，投身mRNA领域并不是一个很坏的选择。我们的DNA里蕴藏着我们的遗传信息，而mRNA则是携带这些信息，指导合成蛋白质的信使。
谁能驾驭自然的力量，谁就能打开通往新世界的大门。理论上说，如果能人工合成mRNA，注射进人体，并生成相应的蛋白质，我们把人体变成自产自销的药物工厂。哪里有疾病，哪里就会有治病的蛋白。
但没有人知道该怎么做。
Kariko与Barnathan教授的设想是先把mRNA注射到细胞里，让它们产生一种受体蛋白。如果实验成功，那么这些细胞就能结合一些原本结合不了的分子。如果再给这些分子加上一点放射性，那么我们就可以通过检查细胞是否结合了具有放射性的分子，来评估mRNA是否真正诱导了受体产生。
在一间逼仄的实验室，两名科学家守在仪器旁，焦急地等待结果。打印机吐出了数据，显示细胞里有本不会被合成的蛋白质。换句话说，他们注射进细胞的mRNA，真的能让细胞合成所想要的蛋白！
Kariko回忆说，那一刻，她感觉自己是能创造生命的神。
但命运随即给她开了一个玩笑。不久，Barnathan教授离开了学校，前往生物技术公司任职，他没有带走Kariko。摆在她面前的只有两条路，要么找到一个实验室挂靠，要么自己申请到科研经费。Kariko不擅申请经费，mRNA技术在当时也未臻成熟。
与她在Barnathan教授课题组共事过的一名同事曾短暂递出了救命稻草。他向神经外科系的主任推荐了Kariko，为她谋得了一席之地。这支新的团队尝试用mRNA技术指导血管合成能扩张血管的分子，但多轮实验均以失败告终。再后来，同事自己，乃至神经外科系的主任都离开了学校。Kariko再次陷入孤立无援的境地。
这是她人生中的至暗时刻。那段时间，她从研究助理教授被降职为高级研究人员。她得了癌症，而自己的丈夫却因为签证原因被困在了匈牙利。而她曾为之付出无数心血的mRNA技术，也走进了死胡同。
命运的邂逅
1997年，宾夕法尼亚大学来了一名叫做Drew Weissman的学者。他毕业于波士顿大学，后在美国国家过敏及传染性疾病研究所工作，师从著名传染病科学家Anthony Fauci博士。
在一台复印机旁，两人偶然地相遇了。闲聊中，Kariko透露自己是一名RNA科学家，“我能用mRNA做任何东西。” Weissman对免疫很感兴趣，就问能不能用mRNA做出对抗HIV病毒的疫苗，Kariko的回答是“当然可以”。
▲这两名科学家也斩获了2021年的拉斯克临床医学研究奖，该奖项素有“诺奖风向标”之称（图片来源：拉斯克奖官网截图）
对mRNA技术的共同兴趣，让两人一拍即合，成为了科研上的长期搭档。起初，他们在细胞中的尝试偶尔能取得成功，却始终无法在动物体内得到复现。“没有人知道为什么，” Weissman回忆说，“我们只知道小鼠会生病。它们的毛发会发皱，一直弓着身子，不吃也不跑。”
后来科学家们才发现在mRNA技术的应用上，存在一个难以逾越的障碍——动物的免疫系统会把合成的mRNA视为外物进行攻击，让它们无法生效。进一步分析表明，这主要因为mRNA会形成局部的双链结构。
都说机会总是留给有准备的人，Kariko与Weissman意识到在过去的实验中，他们曾在对照组里使用了一种叫做转运RNA（tRNA）的分子。这种RNA也会形成复杂的结构，却在实验中不会引起免疫系统的误伤。它的奇妙特性立刻吸引了研究人员们的注意。
人们很早就知道，tRNA上有很多化学修饰。从结构上看，这些化学修饰就像是伪装一样，能躲开免疫系统的攻击。而当两名科学家将这些化学修饰照搬到mRNA上后，奇迹出现了！修饰后的mRNA不再会引起额外的免疫反应，这也一举粉碎了mRNA技术应用道路上的最大障碍。
2005年，两名科学家在Immunity期刊上发表了他们划时代的研究。论文中，他们富有前瞻性地写道，这一突破将是设计治疗用RNA的关键。再后来，他们发现一种特殊的修饰不仅能减少免疫反应，还能大大增加mRNA的翻译效率，产生更多蛋白。
即便是如此具有突破性的一项发现，在当时得到的关注也非常有限。但哈佛医学院的一名年轻学者Derrick Rossi读到这篇论文后却大受震撼。使用论文里提到的mRNA技术，他成功在细胞里表达出了四个关键因子，将人类细胞重编成为多能干细胞。
Rossi兴奋地将他的发现分享给了同事，而同事看到了背后蕴藏的巨大商机。随后他们拜访了多名创业大咖与风投，并在2010年创立了一家名为Moderna的公司，它的名字代表修饰的RNA（modified RNA）。2013年起，Moderna开始使用mRNA技术开发一系列疫苗。
差不多在同样的时间，一家位于德国的生物技术公司BioNTech也看中了mRNA技术的潜力，从Kariko与Weissman处获得了专利授权，开发个体化的癌症疫苗。2015年，Kariko本人也亲自加入BioNTech，出任高级副总裁。
脂肪小球
然而想要真正将mRNA技术应用于人体，还差最后一块拼图。mRNA是一种极为脆弱的分子，人体环境中的酶会很快将它切碎。而且从其性质上看，mRNA分子带有大量负电荷，很难直接进入细胞。就算这些mRNA再怎么能减少免疫反应，再怎么能产生更多蛋白，如果不能进入细胞，那也是白搭。
而让这一切成为可能的，是一种叫做脂质纳米颗粒（LNP）的技术。有意思的是，这种技术的雏形，甚至要早于mRNA技术的成型。
▲Pieter Cullis教授是脂质纳米颗粒领域的先驱之一（图片来源：加拿大不列颠哥伦比亚大学官网截图）
目前使用的脂质纳米颗粒，其开发历史还要追溯到上世纪80年代早期。当时，加拿大不列颠哥伦比亚大学的Pieter Cullis教授团队发现癌症药物能进入一种叫做脂质体（liposome）的简单结构中。在癌症动物体内，这种脂质体能沿着肿瘤附近的破碎血管进入细胞，释放出药物。基于这一发现，Cullis教授也合作成立了多家公司，希望有朝一日能使用脂质体，将有毒的药物递送到人类肿瘤附近，进行杀伤。
但Cullis教授在癌症治疗之外，还有着一个更为远大的梦想。当时，科学家们对基因疗法有着浓重的兴趣——通过将大段DNA或者RNA送入患者体内，我们有望治愈他们的遗传病，或是把导致疾病的基因给“关闭”掉。然而结构简单的脂质体无法完成如此复杂的工作，开发一种全新的递送工具迫在眉睫。
一个潜在的解决思路是往脂质体中添加带有正电荷的脂类，这正好可以与带有负电荷的核酸形成稳定平衡。但这个思路的短板也很明显——自然界中没有带有阳离子的脂质。如果使用永久带有正电荷的人造脂质，则会带来巨大的毒性，因为这些脂质会破坏细胞膜结构。
▲科学家们曾设想使用脂质体来递送核酸分子（图片来源：Kosi Gramatikoff w:user:kosigrim， Public domain， via Wikimedia Commons）
折中的方案随即诞生：既然无法让脂类永久带有正电荷，那能否让它们在特定的条件下，短暂携带正电荷呢？在世纪之交，一家专注开拓这一方向的生物技术公司宣告成立，Cullis教授曾经的员工Ian MacLachlan博士出任首席科学官。正是在后者团队的领导下，脂质纳米颗粒领域迎来了突破。
终成正果
MacLachlan博士等科学家的策略是使用可电离的脂质。它们在正常的血液中呈现中性，减少其毒性。而在酸性环境下，这些脂质又能带上正电荷。此外，这支团队还开发了一种全新的生产技术。他们将脂质溶解在乙醇里，核酸溶解在酸性缓冲液里，再用微流体技术进行混合。当两种液体一接触，就会自发产生纳米脂质颗粒。
与脂质体不同，这种纳米脂质颗粒里富含用脂质包裹起来的核酸，十分适合作为递送的载体。这一简洁而优雅的方法，也成了纳米脂质颗粒技术的核心。
当然这还没有完全解决问题。第一代可电离的脂质依旧有着不小的毒性，且这些纳米脂质颗粒的降解速度较慢。如果反复注射，就会在体内富集，引起潜在副作用。
于是，来自多家公司的科学家们进行了一系列的后续优化工作。他们先合成了超过300种不同的可电离脂质，再逐个优化其头部和连接区域。这是一项极为艰苦的工作，有科学家回忆说，在培养基中，他们能找到50种不同的可电离脂质，都能有效地递送进细胞。但在体内实验里，有49种都不会成功。
但最终，他们还是突破了最后的瓶颈。在合作之下，先是一家专注开发RNAi疗法的公司Alnylam（RNAi技术也斩获了2006年的诺贝尔生理学或医学奖）找到了一种优化的可电离脂质MC3，并以此开发出了第一款RNAi药物。然而这种脂质不适用于mRNA疫苗，于是Moderna与辉瑞/BioNTech各自进行了后续优化，用于其疫苗的递送。
▲一个脂质纳米颗粒的示意图，内含四种不同的脂类，以及核酸分子（图片来源：参考资料[5]；Credit: Genevant Sciences）
如今，这些用于mRNA疫苗的脂质纳米颗粒包含四种成分：首先是在特定环境下产生正电荷的可电离脂质，能与带有负电荷的mRNA紧密结合；其次是一类聚乙二醇化的脂质，负责稳定纳米颗粒的结构；最后两种分别是磷脂和胆固醇分子，填充纳米颗粒的结构。这四种简单的成分将mRNA包裹起来，不让它们进行降解，并将它们送到细胞之内。
在细胞里，脂质纳米颗粒通过内吞途径，会进入到一种叫做“内体”的细胞器中。在那里，酸性环境会让可电离的脂质带上正电荷。这些正电荷也会改变脂质纳米颗粒的形状，让它们能够离开内体，最终进入细胞质，指导蛋白质的合成。
至此，mRNA疫苗所需的技术已全部打通。
通往诺奖之路
之后的故事，大家都很熟悉了。随着新冠疫情的突然到来，mRNA技术成了快速开发新冠疫苗的重要工具。多款mRNA新冠疫苗在临床试验中取得了积极的数据，也为对抗新冠疫情贡献了属于自己的重要力量。有意思的是，在新冠疫苗之前，mRNA技术还尚未开发出一款上市的产品。面对新冠疫情，mRNA技术临危受命，交出了一份令人满意的答卷。
▲mRNA新冠疫苗中使用到的修饰（图片来源：参考资料[4]）
可以肯定的是，mRNA技术不仅带来了多款新冠疫苗，本身在生物医药研究领域也有极其重要的应用价值。而如果没有Kariko的坚忍，这项技术势必难以如此顺利地问世，或许也将赶不上在疫情中发挥自己的作用。
在她最艰难的时刻，Kariko一年赚不到6万美元，要不断更换实验室，才能继续从事科研工作。她的丈夫说她在工作上投入了如此多的时间，时薪只有可怜的个位数。然而就是这样一名科学家在遇到合适的搭档后，她终于迎来了属于自己的时刻，做出了划时代的发现。
而最终让mRNA技术成为可能的纳米脂质颗粒，最初也几乎走进死胡同。直到科学家们做了辛苦卓绝的探索，才最终取得成功。
今日授予Kariko博士、Weissman博士的诺贝尔奖，固然是对他们工作的一大嘉奖。但能在极短的时间里带来疫苗，为全球的公共卫生做出卓越贡献，才更能体现出他们所做工作的重大意义。
让我们再次祝贺这两位杰出的科学家，并向他们突出的贡献致以崇高敬意！
参考资料：
[1] The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2023， Retrieved October 2， 2023， from https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2023/summary/
[2] Kati Kariko Helped Shield the World From the Coronavirus， Retrieved Apr 8， 2021， from https://www.nytimes.com/2021/04/08/health/coronavirus-mrna-kariko.html
[3] The story of mRNA: How a once-dismissed idea became a leading technology in the Covid vaccine race， Retrieved Nov 10， 2010， from https://www.statnews.com/2020/11/10/the-story-of-mrna-how-a-once-dismissed-idea-became-a-leading-technology-in-the-covid-vaccine-race/
[4] Delivering the message: How a novel technology enabled the rapid development of effective vaccines from https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00993-4#relatedArticles
[5] Without these lipid shells， there would be no mRNA vaccines for COVID-19 from https://cen.acs.org/pharmaceuticals/drug-delivery/Without-lipid-shells-mRNA-vaccines/99/i8
[6] Covid’s Forgotten Hero: The Untold Story Of The Scientist Whose Breakthrough Made The Vaccines Possible， Retrieved Aug 17， 2021， from https://www.forbes.com/sites/nathanvardi/2021/08/17/covids-forgotten-hero-the-untold-story-of-the-scientist-whose-breakthrough-made-the-vaccines-possible/?sh=1fc30902354f
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