2023年诺贝尔生理学或医学奖与mRNA疫苗的研发和利用

张俊先 张凯程

［摘 要］2023年诺贝尔生理学或医学奖授予卡塔林·卡里科和德鲁·魏斯曼以表彰他们在核苷碱基修饰方面的发现，这一发现使得开发出针对COVID-19的有效mRNA疫苗成为可能。mRNA疫苗的研发和利用是全球的热点。文章从与2023年诺贝尔生理学或医学奖相关的内容，mRNA疫苗的研发历程、技术原理、作用机制及制备过程，mRNA疫苗的临床应用，mRNA疫苗的发展前景等方面为中小学生科普mRNA疫苗的相关知识。

［关键词］诺贝尔生理学或医學奖；mRNA疫苗；研发

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）05-0095-04

2023年10月2日，瑞典斯德哥尔摩卡罗林斯卡学院的诺贝尔大会宣布，将诺贝尔生理学或医学奖项授予匈牙利裔美国科学家卡塔林·卡里科（Katalin Karikó）和美国科学家德鲁·魏斯曼（Drew Weissman），以表彰他们在核苷碱基修饰方面的发现，这一发现为mRNA疫苗前所未有的开发速度作出了重要贡献，使得开发出针对COVID-19的有效mRNA疫苗成为可能。本文从四个方面为中小学生科普mRNA疫苗的相关知识。

一、与2023年诺贝尔生理学或医学奖相关的内容

（一）mRNA相关知识

mRNA即信使RNA，mRNA作为蛋白质合成的模板，其大小在几百个核苷酸至数千个核苷酸之间，一般不稳定，寿命较短。mRNA数占细胞总RNA数的1%～5%。

mRNA在成熟过程中会发生RNA编辑，RNA编辑是指通过化学修饰或碱基转化使mRNA的碱基序列发生改变，从而导致遗传信息发生改变。

RNA病毒感染人体时，RNA正链翻译出所需的蛋白质，RNA正链又在RNA复制酶的作用下复制成双链RNA，双链RNA解旋释放出正链RNA，继续翻译蛋白质，负链RNA则作为RNA复制的模板。

（二）两位科学家的研究成果

卡塔林·卡里科和德鲁·魏斯曼两位科学家的研究成果如表1所示。

（三）疫苗知识

灭活疫苗：选免疫应答能力强的病菌首先进行人工培养，再用物理或者化学方法将其杀灭制成疫苗，这类疫苗是死疫苗。

减毒活疫苗：病原体经过甲醛处理后，毒性亚单位的结构改变，毒性减弱，但结合亚单位的活性保持不变，即保持了抗原性。这种疫苗接种后会在体内生长繁殖，接近自然感染，激发的免疫时间长。

类毒素疫苗：有些病原微生物自身所产生的致病作用并不是它本身，而是由它产生的外毒素在起作用，外毒素是一种特殊蛋白质，也具有抗原性。类毒素在人体内刺激可以产生更高浓度的抗体，免疫效果较好。

mRNA疫苗：mRNA疫苗是继传统疫苗和新型疫苗之后的第三代疫苗。mRNA疫苗分为病毒衍生的自我扩增型和非复制型两种。自我扩增型mRNA疫苗不仅可以编码目标抗原，还可以编码病毒的复制机制。这样相对低剂量的这类疫苗可以产生高水平的抗原表达。非复制型mRNA疫苗只含有体外转录好的编码抗原蛋白的mRNA，且这种合成的mRNA在人体内无法自我复制，其结构简单，体积小，对插入目标抗原转录本的大小限制更少。由于mRNA进入人体内不插入宿主的基因组，因此这种疫苗具有较强的安全性。

mRNA疫苗的特有优势是：①mRNA只在细胞质内表达抗原，并不进入细胞核；②mRNA没有感染性，也容易被降解，没有感染风险；③mRNA能表达出特定的靶蛋白，修饰或优化使其稳定性和翻译效率提高；④mRNA的设计和合成方法简单方便，容易开展工厂化生产。

二、mRNA疫苗的研发历程、技术原理、作用机制及制备过程

（一）mRNA疫苗的研发历程

1961年，雅各布、悉尼·布雷内和马修·梅塞尔森通过实验证实了mRNA的存在，mRNA被发现。

1978年，科学家用脂质体将 mRNA 转运到小鼠和人类细胞中，以诱导蛋白质表达。

1984年，分子生物学家汤姆·马尼亚蒂斯 （Tom Maniatis） 和迈克尔·格林 （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。

1987年，梅尔顿发现mRNA能激活或抑制蛋白质的表达；1987年底，罗伯特·马龙（Robert Malone）将mRNA链与脂肪滴混合，发现人体细胞能吸收mRNA并产生蛋白质。这是一项里程碑式的实验。

1993年，开始针对流感病毒的mRNA疫苗在鼠身体上的测试。

1995年，开始针对癌症的mRNA疫苗在鼠身体上的测试；1995年，卡塔林·卡里科诱导细胞产生了具有治疗作用的蛋白质。

1997年，卡塔林·卡里科和德鲁·魏斯曼开发了一种基于mRNA的 HIV/AIDS 疫苗，但将其注射到小鼠体内后，引发了大规模的炎症。发现原因是：合成的mRNA会激活一系列Toll样受体的免疫传感器［1］，它们会充当病原体的危险信号。随后，两人发现重新排列mRNA的一个核苷酸（尿苷）的化学键，并用天然的修饰碱基，即用假尿苷代替尿苷的mRNA碱基，可以大大减少炎症反应，这样，他们就发现了防止mRNA触发破坏性免疫反应的方法，清除了mRNA疫苗在临床应用上的关键障碍。

2013年，德国慕尼黑大学医院医学中心对狂犬病mRNA疫苗进行首次临床试验。

2015年，开始对流感的纳米mRNA疫苗进行首次临床试验。

2017年，开始进行mRNA肿瘤疫苗应用于治疗黑色素瘤患者的临床试验［2］。虽然mRNA疫苗已进入临床试验，但一直没有正式投入临床应用。

2020年，新冠疫情蔓延全球，危害人类生命。为此，美国食品药品监督管理局通过了Moderna和BioNTech两家公司的新冠mRNA疫苗授权，并开始疫苗接种，这使得mRNA疫苗在研发和应用方面进展加快，对拯救人类生命起了很大的作用。

（二）mRNA疫苗的技术原理、作用机制及制备过程

1. mRNA疫苗的修饰技术

mRNA疫苗是一种外源核酸，进入人体内容易被识别和降解。保证mRNA疫苗的稳定性和免疫活性的方法为采用修饰技术，主要包括：①通过引入抗反转帽子的类似物，能提高mRNA的翻译效率，在抗反转帽子的类似物的基础上修飾Cap结构，能提高mRNA的稳定性，防止核酸外切酶对其降解；②修饰Poly（A）尾巴的长度（保持在100至120个核苷酸），可以调控mRNA的稳定性和翻译效率；③5′UTR的长度和结构对翻译起始有重要影响，3'UTR区域引入Kozak序列能加强起始密码子的识别， 在5′UTR和3'UTR区域内引入稳定元件增加可调控序列，让mRNA更容易翻译，避免错误启动，能显著提高mRNA的稳定性；④优化mRNA序列，修饰核酸，减少固有免疫激活，提高翻译效率；⑤在mRNA开放阅读框（ORF）中，用常用密码子去代替不常用密码子，可以提高mRNA的稳定性和翻译效率［3］。

2. mRNA疫苗的作用机制

mRNA疫苗发挥作用一般需要经过以下步骤：一是mRNA被各种载体包裹；二是通过注射进入人体；三是包裹mRNA的脂质体通过胞吞进入细胞内；四是mRNA在细胞内释放后利用人体细胞器翻译并表达抗原蛋白，刺激人体产生相应免疫反应。如图1所示是mRNA疫苗的作用机制图。

3. mRNA疫苗的制备过程

第一步，从冷库中提取病毒的DNA。

第二步，将大肠杆菌以及质粒的细胞装在实验瓶中并促使细胞生长繁殖。

第三步，将生长繁殖了一晚的细菌转移至一个含300升营养液的容器里，发酵混合物。

第四步，将发酵四天后的细菌用一种化学物质来分解细菌的细胞壁，采集并净化DNA。

第五步，将提取出来的质粒进行质量检测，以确认刚刚生产的质粒病毒基因序列并没有出现变异。

第六步，把病毒基因从环状切割成直线段，即把环状质粒切割开来。

第七步，将已经很纯的混合物进行净化，用于滤出任何残留的细菌或质粒片段，净化DNA。

第八步，将每瓶DNA冷冻、装袋、密封，放入一个装有足够干冰的容器里进行运输。

第九步，解冻DNA，并掺入由mRNA组成的部分，一段时间后，酵素将DNA模板转化为mRNA，即进行DNA到mRNA的转变。

第十步，需要反复测试过滤后的mRNA，以确保其精确度以及基因序列的准确性，即mRNA检测。

第十一步，将mRNA在-20 ℃下冷藏、打包和再次运输。

第十二步，准备mRNA，收到mRNA的包裹后，保持冷冻直到需要用时。

第十三步，准备脂质，这种物质能保护mRNA进入人体细胞时不会被破坏。

第十四步，制作mRNA疫苗，当脂质和mRNA 片段相遇时，电极以毫微秒的速度将它们聚集起来，mRNA 片段被纳米脂肪粒包裹起来形成一个疫苗颗粒。

第十五步，准备疫苗瓶，并清洗和高温消毒。

第十六步，罐装疫苗。将0.45毫升疫苗注射到一个瓶子，稀释后，成为6个剂量的疫苗。

第十七步，打包、冷藏和测试。灌注完的疫苗经过检查贴上标签，然后放进盒子里打包，盒子要在-70 ℃的极冷温度下冷冻数天，同时送检该批次的疫苗。

第十八步，打包和运输成品疫苗。给测试合格的疫苗装上温度计，并放45磅的干冰。

这样，mRNA疫苗就制备好了，下一步就是接种疫苗了。

三、mRNA疫苗的临床应用

mRNA疫苗技术的落地，是人类文明史上的又一次“盗火”。目前，mRNA疫苗制备技术不断更新，多种mRNA疫苗研发速度快，并在临床研究和临床应用上取得了较好的结果。

目前，全球范围内布局mRNA疫苗的三巨头分别是德国的BioNTech和CureVac、美国的Moderna。我国布局该领域的主要有艾博生物、珠海丽凡达、斯微生物、深信生物、蓝鹊生物、美诺恒康、瑞吉生物、海昶生物、厚存纳米、嘉晨西海等企业，它们有的是中外合资企业，有的是海归团队创立的企业。

首个用于疾病预防的mRNA疫苗是流感疫苗，由于流感病毒容易发生变异，因此缺少有效的广谱性疫苗。现在研发的mRNA疫苗对甲型流感具有明显的预防保护作用。针对SARS-CoV-2引起的疫情，多个国家采用多种技术进行相关疫苗的研发。BNT162b2疫苗和mRNA-1273疫苗，临床试验效果较好；已开展了肺癌、胰腺癌、黑色素瘤等多种肿瘤树突状细胞疫苗的临床试验。另外，mRNA疫苗在抗细菌和寄生虫感染方面也有应用。

四、mRNA疫苗的发展前景

mRNA疫苗是一种新型疫苗，它改变疫苗接种方式，为预防传染病提供新的解决方案，并为人们提供一种更安全、更有效的疫苗接种方式。

mRNA疫苗在研发、生产等方面具备诸多优势。一是研发周期短、抗原选择范围广（广泛应用于预防传染病、抗肿瘤以及蛋白替代疗法等领域）；二是安全性高；三是有效性高且稳定；四是生产难度低、速度快且安全；五是能同时激活体液免疫和细胞免疫，效果显著。

我国“十四五”医药工业规划就提升mRNA疫苗供应能力及其质量技术水平提出了新的要求。由于RNA病毒大多数为单链，遗传信息一般在一条链上，且RNA病毒具有快速变异特性，因此mRNA疫苗市场需求巨大。

据统计，2020年，全球mRNA药物市场规模（不含新冠）约为39亿美元，预计到2025年超过63亿美元。加上新冠方面，按照投产和接种进度，将为全球mRNA药物行业带来超690亿美元的市场规模增幅。

［   参   考   文   献   ］

［1］  陈彦，孙英.mRNA疫苗研究进展：2021年拉斯克奖临床医学研究奖 ［J］.首都医科大学学报，2021（5）：893-899.

［2］  生命科学前沿.mRNA疫苗制造的19个步骤：以新冠mRNA疫苗为例［EB/OL］.（2023-10-24）［2023-12-23］.https：//mp.weixin.qq.com/s？__biz=MzAxNzEwNjY2MA==&mid=2651110758&idx=5&sn=1517448

eda8adf95adb83f5ab8322cbd&chksm=801a8eedb76d07fb8dc1c80565ea4a783d627f47e411d4c2663214eb6173b67002077c9b5f35&scene=27.

［3］  未来智库.医药行业专题研究报告：mRNA疫苗前景广阔［EB/OL］.（2022-02-21）［2023-12-23］.https：//zhuanlan.zhihu.com/p/470160697.

（责任编辑 黄春香）