故事专栏：新冠疫情让RNA疫苗崭露头角，未来接种方式迎来大变革

How COVID unlocked the power of RNA vaccines

在当下，疫苗工厂不得不加班加点以迅速提高RNA疫苗的产能

2013年3月的一个下午，Andy Geall博士接到一通不寻常的电话。在电话中，Geall被告知在中国有三人感染了一种新的禽流感病毒。诺华公司疫苗研究的全球负责人Rino Rappuoli想知道Geall及其同事是否准备好将他们的新疫苗技术用于测试。

也就在一年前，位于美国麻省剑桥市诺华公司美国研究中心的Geall团队将RNA包装在称为脂质纳米颗粒（LNP）的小脂肪滴中，并用它们成功地为大鼠接种了呼吸道病毒疫苗。但是摆在他们眼前的一道难题就是，他们现在是否可以对这种新型流感病毒株做同样的事情？他们可以尽快做到吗？

正如诺华RNA疫苗小组负责人Geall回忆到的那样：“I said, ‘Yeah, sure. Just send us the sequence.’”

周一该团队已开始合成RNA。两天后他们正在迅速组装疫苗。到周末，他们已经在细胞中进行了测试。一周后，小鼠测试也正在如期进行。

诺华的团队用十分惊人的研发速度在短短的一个月内，就取得了通常需要一年或一年以上时间才能完成的疫苗研发工作。

但是当时大批量生产临床级RNA产能仍然有限。Geall和他的同事永远不会发现这种疫苗以及他们开发的其他几种疫苗是否能在人体内起作用。于是2015年，诺华出售了旗下的疫苗业务。

2020年初新冠疫情在全球各个地区爆发，RNA疫苗在诺华出售旗下疫苗业务的五年后证明了自己的价值。

2020年末，新冠mRNA疫苗赛道迎来了两位重量级玩家。一位来自美国制药巨头辉瑞公司和德国美因茨的BioNTech公司，另一位来自麻省剑桥市的Moderna公司。这两家公司所生产的新冠mRNA疫苗已经赢得了多个国家监管机构的紧急批准以对抗COVID-19。

事实证明，新冠正在加速将RNA疫苗重新推上历史舞台，可以这么说，RNA疫苗的时代可能已经到来了。据悉来自全球数十家制药公司和生物技术公司参与其中。葛兰素史克GSK疫苗部门的前研发负责人杰弗里·乌尔默（Jeffrey Ulmer）说：“目前市面上几乎所有大型制药公司正在以某种方式对RNA疫苗这种新技术进行各种测试。”

直接将RNA作为疫苗使用的想法并不是近几年才出现，其实早在20世纪80年代到90年代，就已经有人在兜售这个idea。

卡特琳·卡里科（Katalin Karikó）被视为mRNA技术的奠基人之一。她现任德国BioNTech公司高级副总裁，参与设计该司多款mRNA候选新冠疫苗。这位来自匈牙利的科学家与mRNA技术死磕将近40年，也曾被老同事嘲笑。最惨的时候差点在宾夕法尼亚大学的教职岗位上被降至最低。

然而免疫学家德鲁·维斯曼（Drew Weissman）慧眼相中了卡里科，两人合作发表诸多具有代表性的开创性论文。后来随着越来越多的科学家加入其中，mRNA原来只是“小众技术”，其影响力能破圈，皆是因为新冠肺炎全球大流行。

2020年1月10日，中国科学家第一时间在网上发布新冠病毒基因序列，与全球共享。包括BioNTech、Moderna在内的公司开始工作，试图用mRNA技术，快速制造出新冠肺炎疫苗。

所以我们可以看到在疫苗中直接使用RNA的这个疯狂想法并不新鲜，且已经存在了近三十年。与传统方法相比，这种基于遗传学的技术更为简化，使研究人员可以快速追踪疫苗研发的多个阶段。现在人们对mRNA疫苗的强烈兴趣已经拓展到了诸多疾病领域，如肺结核、艾滋病毒和疟疾。

但是该技术想要在未来大规模应用，所面临的挑战也非常艰巨。制作mRNA疫苗的原材料很贵，其副作用可能令人不安。目前，物流运输及储存需要昂贵的冷链设施。例如，辉瑞–BioNTech COVID-19疫苗必须在-70°C下保存。

COVID-19的紧迫性可能会加速解决其中一些问题，但是一旦当前危机消退，许多公司可能会放弃mRNA疫苗。问题仍然存在——它将在哪里结束？

辉瑞公司病毒疫苗研究负责人，诺华公司Geall博士的前同事Philip Dormitzer说：“RNA技术已经证明了自己，但还没有完成。而且现在我们已经看到它在COVID-19流行之际发挥了巨大的作用，因此我们可能想做更多的事情，这的确很诱人。”

小分子，大进步

Small particles, big advance

疫苗可以训练人体的免疫系统去识别并消灭那些外来的病原微生物及其他致病因子。通常，注射减活或灭活的病原体或蛋白质（称之为抗原Antigen），以训练免疫系统识别这些外来的入侵者。

但是RNA疫苗仅仅是一段病原体的RNA序列，目的是使这个RNA片段利用载体直接进入人体的细胞中，将人体的细胞转变为RNA翻译蛋白的工厂，继而产生抗原。

20世纪90年代，当时法国的研究人员（现为赛诺菲·巴斯德制药公司）首先在小鼠中使用了编码流感抗原的RNA。小鼠体内上确实产生了反应，但该团队使用的脂质输送系统被证明毒性太大，无法在人体内使用。

再过十年，研究RNA干扰疗法的公司（依靠RNA选择性阻断特定蛋白质的产生）才发现LNP技术，使得今天的COVID-19的mRNA疫苗成为可能。

挪威奥斯陆Coalition for Epidemic Preparedness Innovations的创新技术负责人尼克·杰克逊（Nick Jackson）说：“最后，RNA疫苗还是取得了突破性进展。这真的是一个分水岭，使得mRNA几乎能够用于各类疾病的治疗。”

2012年，当Geall博士和他的同事描述用LNP封装RNA疫苗的时候，美国国防高级研究计划署（DARPA）想要打算资助诺华、辉瑞、阿斯利康、赛诺菲巴斯德和一些其他生物技术公司，一起来参与研究mRNA疫苗和疗法。

然而，事实上没有任何一家大型药企对这个mRNA技术用于疫苗和疾病治疗感兴趣。DARPA前项目经理Dan Wattendorf说：“尽管数据看起来不错，但是似乎这些大型药企对疫苗新监管途径的任何风险都保持沉默。”所以看起来全球任何的大企业对高风险的创新性项目都保持极其谨慎的态度。

但是幸运的是，仍然有两家小型的生物技术公司联系上了DARPA，要求获得资助。其中一个是德国Tübingen的CureVac，该公司于2013年开始对狂犬病疫苗进行人体试验。CureVac在后期测试中也有一种COVID-19疫苗。

另一个是Moderna，它建立在DARPA资助的工作基础上，最终在2015年底将一种新型禽流感病毒株的RNA疫苗投入临床试验。这种禽流感疫苗能够引发了足够强的免疫应答。于是该公司又开始了针对巨细胞病毒、寨卡病毒和三种引起儿童呼吸道疾病的病毒的RNA疫苗陆续开展后期的临床人体试验。

葛兰素史克收购了诺华制药旗下的大部分疫苗资产，并于2019年开始评估一种基于RNA技术的狂犬病疫苗。

这是2020年初RNA疫苗临床研发的全部内容：只有12个候选疫苗进入人体试验部分；4个在初步测试后被迅速放弃；只有一个巨细胞病毒疫苗进入更大规模的后续研究。

南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学的基因治疗研究人员克里斯蒂·布鲁姆说，随之而来的是冠状病毒。仅在过去十个月，就有至少六种基于RNA技术的COVID-19疫苗进入人体试验。

开始提速

Need for speed

RNA疫苗似乎就是为疫苗研发的极速周期而量身打造的。研究人员可以从病原体的遗传序列中（如病毒的RNA序列）快速获得抗原编码基因相关的RNA片段，然后合成相应的RNA，然后再将RNA包装到特殊的载体中运输到人的身体中。

例如，Moderna在获得了SARS-CoV-2基因组序列后，仅仅4天就完成了目的蛋白特定病毒核酸序列合成。Moderna专注于病毒的刺突蛋白，一种用于进入细胞的表面蛋白。然后，该公司与美国国立卫生研究院NIH合作，在小鼠中进行了前期概念验证实验，然后在短短两个月内就开始了人群首次测试。

从理论上讲，任何疫苗都可以用相同的方法制造。赛诺菲巴斯德疫苗研发总监John Shiver说：“从这个意义上说，它确实是一个平台。使用RNA，您不必重新创建整个过程”。

相比之下，经典的疫苗生产方法昂贵且耗时。这些低效率的现象有助于解释为什么卫生部门必须在流感季节开始前的几个月内选择每年在季节性流感疫苗中放入哪种菌株。这些选择通常会错过目标，并且没有时间回头去测试替代方案。结果，流感疫苗的有效性很少超过60％。

但是有了RNA，疫苗生产商可以更快更有效地选择甚至是更换抗原。位于麻省的一家专注于RNA的公司Translate Bio的首席执行官Ron Renaud博士表示：“理论上，您几乎可以随时快速地调整序列并解决该问题！”

Ron Renaud表示。无论是流感、COVID-19还是其他几种病毒乃至细菌病原体的疫苗，只需要合成他们的核酸序列即可。

由于具有即插即用功能（plug-and-play functionality），RNA疫苗在基础医学研究方向也是大放异彩。

芝加哥伊利诺伊大学医学院的疫苗学家贾斯汀·里奇纳（Justin Richner）正在他自己的实验室中开发基于RNA技术的登革热病毒疫苗。里奇纳和他的同事们修改了登革热病毒用来攻击人类细胞的包膜蛋白的基因序列。通过重复他们的设计，研究人员在小鼠中测试了大约15种候选疫苗。Richner说：“操纵疫苗的编码序列来做尝试，可能本身会是更好的疫苗的新方法，而且这种方法与传统疫苗开发相比确实容易很多。”

RNA疫苗带来的其他“财富”

RNA疫苗技术的进步正在帮助一些研究人员无限接近疫苗开发的圣杯/崇高目标（holy grail）。例如一种通用的流感疫苗，该疫苗可应对任何病毒株都起作用，这就无需每年都要重新设计。

其他疫苗研究人员则更加关注针对低收入国家的艾滋病毒和其他致病性病毒开发疫苗。由于病原体能够系统地改变其表面蛋白以逃避免疫识别的方式，这种疫苗经常被科学家所困惑。一些传染性病原体，例如疟疾也具有复杂的生命周期，这使挑选抗原的过程更加复杂。

RNA疫苗可能包含多种抗原的序列，这些抗原要么组成在一条较长的RNA上，要么就是将多条RNA短序列一起封装在单个纳米颗粒中。

费城宾夕法尼亚大学的疫苗科学家诺伯特·帕迪（Norbert Pardi）采用了后一种方法来制作实验性流感疫苗。多重疫苗由四个RNA序列组成，每个RNA序列编码不同的流感蛋白，成功地保护了小鼠免于感染一种特定的亚型流感病毒。

现在，帕迪和他在纽约西奈山伊坎医学院的合作者们希望在把所有的东西整合到一个12股流感疫苗中之前，对其他两种主要的病毒亚型重复这项工作，以取代每年接种疫苗的需要。“如果你在多个点攻击病毒，”帕迪说，“你可以诱导广泛的保护性免疫反应。”

RNA疫苗的安全性和稳定性

RNA疫苗这项技术的尽管具有许多潜在的优势，但是今天的RNA疫苗技术仍有很多改进的余地。伦敦帝国理工学院的免疫学家罗宾·沙托克（Robin Shattock）说：“这项技术还处于早期阶段，我怀疑，未来几年，我们将看到这项技术会历经多次革新和迭代。”

首先，存在冷藏问题。辉瑞–BioNTech疫苗和Moderna疫苗都需要-70℃的低温才能维持其RNA的完整性。但是至少有两家公司声称拥有COVID-19 RNA疫苗，在高温下可稳定保存数月。

首席技术官Mariola Fotin-Mleczek表示，与Pfizer-BioNTech使用相同LNP的CureVac将其RNA折叠成紧凑的3D结构，从而可以在冷藏温度下保存数月。

苏州艾博生物正在进行早期人体临床试验，目前已经开始提供COVID-19的RNA疫苗，该公司专注于LNP的质量和纯度，以创造出一种产品，该产品在室温下可保持长达一周。

还有一个挑战：到目前为止，针对人类使用的针对COVID-19或其他疾病测试的RNA疫苗通常需要加倍剂量才能有效。而且，由于对其他多剂量疫苗的依从性差，许多第一次接种的人可能不会接种第二次。

新的药物传输系统可以解决此问题。例如，在麻省剑桥市的Vaxess Technologies公司，研究人员开发了一种可穿戴的皮肤贴片，上面布满了细小的丝头，可溶解的微针，可以将疫苗缓慢滴入体内。

滴注而不是一次性滴注疫苗可以帮助解决第三个缺点：副作用。严重的反应尽管是短暂的，但在COVID-19注射后所产生的副作用确实比其他疫苗更常见，在临床试验中要更多。超过80％的接受Moderna疫苗接种的人对注射有某种类型的全身反应，并伴有疲劳感，肌肉疼痛和其他经常被证明使身体虚弱等问题。

疫苗专家斯坦利·普洛特金（Stanley Plotkin）说，在全球致命的大流行中，这种不愉快可能是可以接受的。但是人们可能会因为每年的流感预防针而感到不适。对于任何针对婴儿的疫苗，“肯定会希望推出更多副作用更小的疫苗”。

疫苗合成和LNP输送系统中的污染物被认为是反应原性的两个主要来源。纯化系统是如此之好，而LNP只能优化那么多。由于这些原因，疫苗制造商通常会降低剂量，以限制一个人同时接触这两种药物。

对于常规的RNA疫苗，较低的剂量意味着较低的效力。但是，诸如加利福尼亚圣地亚哥的Arcturus Therapeutics和伦敦的VaxEquity这样的公司已经设计出了变通办法，即为其COVID-19疫苗创建自扩增RNA构建体。

更小的剂量

与基于RNA疫苗不同的是，这些候选的自我复制疫苗还包括RNA自我复制的指令，这些疫苗只包含冠状病毒刺突蛋白的编码序列，两端都有调控区。

疫苗结构有点笨重，需要更多的序列优化和制造技巧。但是他们允许公司降低剂量。而复制的RNA更接近于模拟自然病毒感染——触发更强、更广泛的免疫反应，这可能允许单剂量接种方案。

BioNTech在扩增技术方面进行了改进。在COVID-19之前，该公司主要专注于癌症疫苗。但BioNTech联合创始人兼首席执行官UğurŞahin表示，凭借久负盛名的声誉，扩大的生产能力以及预计销售COVID-19疫苗可带来的大量现金流，“这将使我们能够更快地在传染病平台上进行扩展。”

比利时奥斯特坎普的Ziphius疫苗也同样试图利用冠状病毒来分一杯羹。Ziphius成立于2019年5月，最初是为了开发针对杜氏肌营养不良症和囊性纤维化等罕见疾病的基于RNA的治疗方法。去年，Ziphius在开始研发针对COVID-19的自扩增RNA疫苗后，对其开发计划进行了全面改革。该公司首席执行官克里斯•卡顿（chriscardon）表示，这家初创公司目前正试图筹集3000万欧元（约合3700万美元），以推进针对各种传染病的14个临床前项目。

RNA疫苗可能仍面临财务阻力。许多行业内部人士认为，一旦大流行消退，当前的热门话题不会持续。

他说：“很难说服人们押注这种类型的传染病疫苗技术，”他去年与Geall博士共同创立了开发RNA的公司，位于加州圣地亚哥的Replicate Bioscience首席执行官Nathaniel Wang说，尽管Replicate已经围绕COVID-19和Zika的RNA疫苗建立了一些学术和商业合作伙伴关系，但这并不是大多数风险投资公司想要资助的。

尽管如此，随着RNA疫苗成为头条新闻，Geall博士和他的许多前同事一直在重温在诺华的日子。如果公司没有出售其疫苗部门，他们是否可以在过去十年中帮助消除埃博拉或寨卡病毒的爆发？

诺华疫苗部门的前研究和早期临床开发负责人克里斯蒂安·曼德勒（Christian Mandl）说：“回首总是充满悲伤。”但是他对今天成功使用COVID-19疫苗感到欣慰。“我为我们做出的宝贵贡献感到非常自豪。”

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