2023诺奖精彩回顾--mRNA疫苗技术众望所归！

北京时间2023年10月2日，2023年诺贝尔生理学或医学奖公布结果，Katlin Karikó 和 Drew Weissman 因核苷碱基修饰方面的重大发现而获奖，这些发现对于开发有效针对 COVID-19 的mRNA 疫苗至关重要。

10月3日，2023诺贝尔物理学奖公布结果，奖项得主为Pierre Agostini，Ferenc Krausz和Anne L’Huillier，以表彰“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”。

10月4日，2023年诺贝尔化学奖公布结果，分别授予Moungi Bawendi，Louis Brus和Alexei Ekimov，以表彰他们关于“发现合成量子点“的贡献。

2023年诺贝尔奖已在国庆假期期间拉开帷幕，小C和大家一样都怀揣着兴奋又好奇的心情想了解诺奖背后的故事，那么今天就一起来重点聊一聊诺贝尔生理学或医学奖的相关内容。

图片来源https://www.nobelprize.org/

获奖的匈牙利生物化学家Katalin Karikó和美国免疫学家Drew Weissman曾在2021年获得“诺奖风向标”拉斯克临床医学研究奖，获奖理由是他们发现了一种基于mRNA修饰的新治疗技术，并以此能够快速开发高效的COVID-19疫苗。诺奖同样表彰了二人在mRNA碱基修饰技术的重大突破，以及该技术在COVID-19疫苗发挥的重要贡献。

那么核苷碱基修饰是何方神圣，该技术又是如何用于疫苗开发的？

细胞中，编码在DNA中的遗传信息会先转录至信使RNA（mRNA）中，随后mRNA作为模板翻译成蛋白质，进而执行生命活动。相较于mRNA，DNA需要进入细胞核内发挥作用，并且存在整合宿主基因组的风险；多肽和蛋白质免疫原性较低，免疫反应持续时间有限，由于mRNA可以扩展，经过修饰后的mRNA序列可以满足编码所有蛋白质的所有遗传信息要求，并且可以靶向细胞质递送。

在上世纪90年代，科学家们引入了无需细胞培养即可生产mRNA的有效方法，即体外转录。这一重大发现推动了mRNA技术在多个生物领域的应用和发展，包括利用mRNA技术生产疫苗和治疗疾病。

然而由于体外转录mRNA的不稳定性和免疫原性等问题，严重阻碍了mRNA疗法的发展。强烈的免疫反应导致免疫系统将mRNA分子识别并清除，最终基因表达失败。

Katalin Karikó一直致力于开发利用mRNA疗法，Drew Weissman的研究发现树突状细胞在免疫监视和激活疫苗诱导的免疫反应方面具有重要作用。二人在宾夕法尼亚大学展开合作，重点研究不同类型的mRNA如何与免疫系统相互作用。

他们的研究发现，在修饰的mRNA分子中，尿苷被假尿苷（Pseudouridine，CSN28337）取代后，将mRNA递送至树突状细胞，此时免疫原性会大大降低，并且提高了mRNA的稳定性^[1]。

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这一重要研究结果于2005年发表。随后二人在2008年和2010年发表的进一步研究中表明，碱基修饰后的mRNA的传递显著增加了蛋白质的产生^{[2] [3]}。

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2010年开始，这项技术开始被应用于疫苗开发，相比于传统疫苗生产需要大规模且耗时长得细胞培养，mRNA疫苗生产高效且稳定。在2020年初新冠疫情爆发时期，该技术大大提升了mRNA新冠疫苗的研发速度和有效性，为人类抗击疫情做出了贡献。

2023年诺贝尔生理学或医学奖选择颁给Katalin Karikó和Drew Weissman，既是对该项技术在新冠疫情期间贡献的表彰，也展现了其潜力之大。诺贝尔奖评委会表示，这一成果消除了mRNA临床应用道路上的关键障碍，同时该技术在mRNA新冠疫苗的应用为未来针对其他传染病疫苗的开发，或者输送治疗性的蛋白质并治疗某些癌症类型铺平了道路。

此外，诺奖新闻稿指出mRNA碱基修饰是使得高效的mRNA新冠疫苗成为可能的关键一步，不过成为可能的要素并不只有碱基修饰这一项，新闻稿同样提到了其他重要要素：递送mRNA的纳米脂质颗粒。

外源mRNA必须穿过脂质膜屏障才能进入细胞质，进而翻译蛋白。Katalin Karikó和Drew Weissman的研究主要利用树突状细胞作为载体递送mRNA，除此之外常用的载体还包括鱼精蛋白、多糖颗粒、阳离子脂质体等。SARS-CoV-2刺突蛋白的mRNA

经过科学家的反复实验，目前脂质纳米粒（Lipid nanoparticles, LNPs）载体是mRNA疫苗最常用的载体之一。LNPs是由阳离子脂质、辅助磷脂、胆固醇和聚乙二醇组成稳定的颗粒。其中阳离子脂质有助于包封带负电荷的mRNA，并且可以与核内体膜相互作用，将mRNA释放到细胞中，常用的阳离子脂质包括ALC-0315（CSN28747），SM-102（CSN28056），DOPE（CSN27997）（DNA转染），DOTAP chloride（CSN32391）（siRNA递送）。磷脂（DSPC，CSN27990）在LNP中促进脂质双分子的形成，促进内体逃逸，；胆固醇（Cholesterol，CSN10629）的加入有助于提高脂质双分子层的稳定性，促进膜融合；聚乙二醇（DMG-PEG 2000，CSN28748）则促进纳米粒结构的形成，同时保护LNP免受巨噬细胞介导的清除，延长LNP半衰期^[4]。

mRNA碱基修饰和纳米脂质载体极大促进了mRNA疫苗的发展。诺奖之外，各大生物公司纷纷布局，目前mRNA疫苗应用场景要分为预防性疫苗（针对传染病）、治疗性疫苗（肿瘤疫苗）和治疗性药物（mRNA技术替代抗体、细胞因子等药物）三大类，此外mRNA技术还被应用于细胞重编辑和再生疗法等领域。诺奖之外，mRNA技术已逐渐在生物医疗领域大放异彩。

回顾核苷碱基修饰技术的成熟到mRNA疫苗生产的整个过程，也是无数科学家数年来坚持不懈的探索之路。在诺贝尔生理学或医学奖章上刻着这样一句话：“新的发现使生命更美好”，这也是该奖的意义所在。所以无论此时籍籍无名还是早已声名远扬，每一位科学家的努力都在推动着世界医学的进步，造福着人类社会。

参考文献：

[1] Karikó K, Buckstein M, Ni H, Weissman D. Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors: the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA. Immunity. 2005 Aug;23(2):165-75. doi: 10.1016/j.immuni.2005.06.008. PMID: 16111635.

[2] Karikó K, Muramatsu H, Welsh FA, Ludwig J, Kato H, Akira S, Weissman D. Incorporation of pseudouridine into mRNA yields superior nonimmunogenic vector with increased translational capacity and biological stability. Mol Ther. 2008 Nov;16(11):1833-40. doi: 10.1038/mt.2008.200. Epub 2008 Sep 16. PMID: 18797453; PMCID: PMC2775451.

[3] Anderson BR, Muramatsu H, Nallagatla SR, Bevilacqua PC, Sansing LH, Weissman D, Karikó K. Incorporation of pseudouridine into mRNA enhances translation by diminishing PKR activation. Nucleic Acids Res. 2010 Sep;38(17):5884-92. doi: 10.1093/nar/gkq347. Epub 2010 May 10. PMID: 20457754; PMCID: PMC2943593.

[4] 金喆彤,芮雪,姜侯喆,等. mRNA疫苗非病毒载体递送系统研究进展[J]. 中国生物工程杂志,2022,42(9):58-66. DOI:10.13523/j.cb.2205051.