mRNA疫苗：COVID-19之外的空间
本文节选自《mRNA vaccines for Covid and beyond》，由于水平有限，详细内容，请参考原文。
Clare Sansom发现，这种已经被誉为奇迹的新疫苗技术可以保护我们免受其它疾病的伤害
去年11月9日，《经济学人》的记者Natasha Loder正在Zoom上开会，她的编辑收到了一条消息。“我刚刚得到消息，辉瑞的疫苗有超过90%的有效性……有这样好吗?”Natasha在哪儿? 她回忆说，听到这个消息，她“非常震惊”。在一种毁灭性的流行病出现不到一年的时间里，就研发出了一种有效的疫苗，这不仅是一项了不起的成就，用Loder的话来说，这是一项“他妈的惊人”的成就。该疫苗及时登上了《经济学人》的封面，不到一个月后，在英国考文垂大学医院，90岁的Margaret Keenan接受了首次在临床试验之外接种的COVID-19疫苗。如今在临床上，没有多少疫苗能像这种疫苗一样有效：例如，大多数流感疫苗的有效性都难以达到50%。英国伯明翰大学医院传染病咨询师Christopher Green表示：“世界卫生组织可能会接受有效性为50%或更低的新冠疫苗……而这种疫苗对老年人也能达到90%以上的保护，这是一项巨大的成就。”
使这一成就更加引人注目的是，它使用了一种尚未在临床上被证明适用于任何疾病的技术。Loder还记得，在任何疫苗获得批准之前，他曾与英国牛津大学詹纳研究所所长、牛津-阿斯利康 COVID疫苗开发团队成员Adrian Hill进行过早期讨论。Hill解释说，把这种信使RNA产物称为疫苗，“就像把某种你从未看到有人驾驶过的东西称为汽车”。然而，更值得注意的是，这一进展对COVID以外的疾病同样具有良好的前景。辉瑞与德国生物技术公司BioNTech合作生产的COVID-19疫苗，可能是一系列针对更广泛的传染病(且可能不仅仅是病毒性疾病)的疫苗中的第一种。
生命的“软件”
很多关注新闻的人都知道，辉瑞疫苗的活性成分是信使RNA(mRNA)。美国Moderna公司开发了第二种针对COVID的mRNA疫苗，该公司总裁Stephen Hoge将mRNA称为“生命软件”。在众所周知的分子生物学中心法则中，“DNA制造RNA，RNA制造蛋白质”，作为这一途径的中间体直接参与其中的RNA是mRNA。简单地说，当真核细胞需要一种特定的蛋白质时，携带编码该蛋白质基因的染色体部分就会松开，从而合成该蛋白质的mRNA蓝本。信使RNA经过化学修饰进入成熟形态，然后离开细胞核，附着在核糖体上，形成蛋白质合成的模板。进一步利用Hoge的类比，mRNA“软件”位于存储(或DNA)和应用(或蛋白质)之间。
大多数疫苗的作用方式是将病原体的死亡或灭活形式，或病原体特有的一种蛋白质注入我们体内，这样当我们的免疫系统在感染中再次遇到该病原体时，就会“做好准备”，迅速做出反应。这些mRNA疫苗背后的基本原理包括递送病毒刺突蛋白的mRNA蓝本：一种“装饰”在病毒表面的球状糖蛋白，通过与细胞表面的受体结合开始感染过程。一旦这个mRNA进入我们的细胞，它就可以被核糖体识别，就像其它任何mRNA一样，它们会合成刺突蛋白的拷贝，反过来，它会被识别为“外来的”物质，并产生免疫反应。
如果mRNA疫苗在Sars-CoV-2病毒进入人类之前没有很长一段的开发时间，这一切都是不可能的。今天的疫苗开发人员的成功很大程度上归功于美国宾夕法尼亚大学Drew Weissman和Katalin Kariko的团队进行的艰苦基础研究。使用RNA作为疫苗或其它治疗药物的一个主要缺点是，核酸本身可以刺激强烈的免疫反应。Kariko和Weissman小组首次证明，这可以通过修饰mRNA分子中的碱基来抑制。在Moderna和辉瑞临床使用的疫苗中，所有尿嘧啶核苷酸都被1-甲基假尿嘧啶取代。这种核苷酸自然存在于一些转运RNA分子中，它与尿嘧啶的不同之处在于，它用碳-碳键取代氮-碳糖苷键，尿嘧啶环的一个氮原子被甲基化。
到2011年，Kariko和Weissman的研究小组已经找到了制造在人类细胞中安全的mRNA分子的方法，但还不知道如何将它递送到那里。mRNA太大而不能被细胞有效地吸收，而且它很容易被核糖核酸酶(RNases)分解。就在那一年，Norbert Pardi加入了这个小组，他现在是宾夕法尼亚大学的助理教授。他说:“我和Katalin来自同一个匈牙利小镇，我在匈牙利读本科的时候，她夏天去看她妈妈时，我经常和她聊科学。在我完成博士学位后，我选择加入她的小组，研究RNA疫苗，这并不奇怪。”
三年后，Pardi首次发表了一篇论文，通过将mRNA分子包裹在脂质纳米颗粒中来解决递送问题。脂质纳米颗粒最初被设计用于递送小干扰RNA(siRNA)分子，但它们同样适用于mRNA。“这些纳米颗粒有四种不同的脂质成分，包括可电离的阳离子脂质，”Pardi说。“与许多传统脂质体不同，它们不会与血液中的血清蛋白结合，毒性小得多，并有助于细胞吸收mRNA分子。” 类似的纳米颗粒已被用于当前的COVID疫苗。9月9日，Weissmann和Kariko被提名为2021年突破奖（Breakthrough Prize）之一的共同获奖者，该奖项是世界上科学和数学领域奖金额最高的奖项，两人分享了300万美元(230万英镑)。
疟疾的希望
Weissman小组对mRNA疫苗开发的最新综述发表在2020年3月的《Current Immunology》杂志上，这意味着该小组报告的结果早于当前的大流行，并有机会在临床上证明他们的技术。报告中描述的mRNA疫苗的临床前试验涉及啮齿类动物疾病模型，他们指出，很难在人体试验中复制这些研究中“通常显著的免疫原性”。
然而，该小组的一些最有前途的工作是在疟疾方面：每年仍有近50万人死于疟疾，主要是5岁以下的儿童。唯一获得批准的疟疾疫苗Mosquirix需要注射四次，而且有效性相对较低。Weissman和他的同事选择研究一种mRNA，这种mRNA编码一种表达在侵入期疟疾寄生虫外壳上的蛋白质。他们将一种稳定的形式封装在纳米颗粒中，这种纳米颗粒与COVID疫苗中使用的纳米颗粒类似，证实它在小鼠中引发了一种足够强烈的免疫反应，足以在人类试验中被标记为“值得进一步研究的候选产品”。
人们常说：“疫苗不能拯救生命：免疫接种可以。”即使在COVID大流行之初，在更多传染性变异株出现之前，最好的估计表明，诱导全球群体免疫(从而最终消除病毒)将需要约55亿人(约占总人口的70%)接种疫苗。目前的估计要高得多：事实上，许多科学家认为，这种病毒现在无法消除，反而会变成地方病，像季节性流感一样。Loder说:“我一听到这些有效性数据，就意识到我们需要数十亿剂这种疫苗。” 我知道这需要大规模的疫苗分发，这在任何地方的任何医疗产品中都是前所未有的。“mRNA的不稳定性给物流工作带来了更大的挑战，这意味着这些疫苗必须保持在远低于0摄氏度的温度下才能使用。” 当辉瑞的疫苗首次生产时，它的制剂必须在零下70摄氏度的环境下保存。
一个关于“冷链”的问题
很明显，疫苗分发在贫穷国家比在富裕国家面临更大的物流挑战，在某种程度上，在农村地区也比在城市地区面临更大的挑战。牛津-阿斯利康的疫苗使用了一种更传统的技术 – 基因修饰的腺病毒载体，可以储存在普通疫苗冰箱中。该疫苗是低收入和中低收入国家COVID疫苗接种计划的主要组成部分。然而，一个需要提供数十亿疫苗的项目不能仅仅依靠一种产品。到2021年8月，牛津-阿斯利康疫苗已经或正在全球176个国家和地区使用，但mRNA疫苗也没有落后太多。辉瑞的疫苗在125个国家使用，Moderna的疫苗在72个国家使用；其中许多是中低收入国家。在能够注射之前保持产品稳定的挑战要求先进的冷链技术扩展到以前从未知道需要它的国家。
几十年来，疫苗接种运动一直受到冷链问题的困扰。世卫组织估计，由于冷链问题，所有液体疫苗中约有25%无法使用，当然，这一问题在中低收入国家尤其严重。
如果无法在需要使用疫苗的国家生产疫苗 - 遗憾的是，在中低收入国家情况总是如此 - 冷链在那个国家从携带疫苗的飞机降落在机场开始，然后产品可以保存在仓库和冰柜，以维持适当的温度。即便如此，这也可能是一个挑战，例如，如果电力供应不可靠的话。而在这之后，可能会有多达10个不同的阶段，每个阶段都必须精确控制温度，然后“最后一英里”送到当地的医疗中心，到护士手中，最终注射到人的手臂。
英国伯明翰大学经济学教授Toby Peters说：“在最后阶段，疫苗被保存在一个高度绝缘的冷藏箱里，里面装满了干冰。”他补充说：“我们以前从来没有做过这样的事情：以如此快的速度和如此多的数量向中低收入国家的这么多地方运送如此脆弱、储存要求如此高的疫苗。”
然而，建立提供COVID-19疫苗的冷链有一个关键好处：当疫苗接种计划完成时，它们不必被拆除。如果建立了用于储存疫苗的-70℃冰柜，就可以把它们放在那，而且不需要一直开机。当针对任何流行疾病的mRNA疫苗在这些国家进入临床使用时，它们就会准备就绪，尽管很难提前预测任何mRNA结构的稳定性，很可能会有一个疫苗需要存储在更低的温度下。Peters说：“一旦冷链到位，它将完全改变未来疫苗或其它mRNA疗法的商业模式。” 例如，如果疟疾疫苗能够成功地提供给低收入和中等收入国家的农村卫生中心，它可能会成为一个游戏规则的改变者。
非洲国家目前几乎所有的常规疫苗都需要进口，而且该地区也是目前COVID疫苗服务最差的地区：非洲人口中只有少数人完成了疫苗接种，而英国则超过了65%。非洲国家依赖联合国的Covax疫苗项目，但由于供应问题，这一项目经常停滞。在改善低收入和中等收入国家获得mRNA疫苗的途径方面 - 尤其是通过缩短和简化冷链 - 一个关键步骤将是在“离家”更近的地方生产它们。
关于放弃COVID疫苗技术专利的呼吁陷入僵局的情况已经有很多文章进行了讨论，但仅凭这些专利不足以启动疫苗流动：疫苗工厂需要先进的设备和熟练的劳动力。世卫组织提议在南非建立一个技术转让中心，与当地公司合作，选择的疫苗平台是mRNA平台。然而，辉瑞和Moderna都没有表现出任何分享技术的兴趣。该中心可以与其它正在开发mRNA疫苗但还不太成熟的公司合作，不过需要更长的时间才能投产。如果没有成熟的合作伙伴，一种完全由非洲制造的疫苗可能要到2022年末才能被开发出来。
下一个挑战
如果Covax能在此期间填补空白，这是否值得？当然，但主要不是用于COVID疫苗。盖茨基金会已经向包括BioNTech在内的公司提供了数百万美元，用于开发针对低收入和中等收入国家更多流行疾病的、基于mRNA的疫苗。比尔·盖茨一直是个乐观主义者，他在2021年1月告诉《USA Today》，“我们只需要获得更多的脂质纳米颗粒”，并预测，在5年内，应该有可能廉价地制造新的mRNA疫苗，甚至比从Sars-CoV-2基因组测序到疫苗成功开发的10个月时间更短。
COVID-19在世界各地造成的破坏主要源于其传染性。狂犬病是另一种病毒疾病，在谱系的另一端。人类之间的传播几乎是未知的，这种疾病本身也很罕见，但已知只有14人在出现症状后幸存下来，而且没有提供持久免疫力的疫苗。
狂犬病毒既是疫苗开发的重要目标，也是一种特别容易控制的病毒，因为世界卫生组织已经精确定义了“可接受的”免疫反应的最低水平。早在Sars-CovV-2病毒出现之前，德国生物制药公司CureVac就开始测试基于其新型RNActive平台的狂犬病疫苗。这种疫苗使用了一种mRNA结构，不同寻常的是，它在不修饰核苷酸的情况下稳定了核酸，疫苗也被包在脂质纳米颗粒中，这些脂质纳米颗粒与辉瑞和Moderna使用的非常相似。CureVac的副总裁Lidia Oostvogels说:“这产生的免疫反应比碱基被修饰时更接近病原体产生的‘自然’免疫反应。”
该公司最近公布了首次人体试验结果，表明该疫苗是安全的，并能产生强烈的免疫反应。“由于狂犬病总是致命的，我们有一个同质化的人群，没有自然免疫力，这使疫苗更容易评估，”Oostvogels补充说。在大流行导致的项目暂停之后，狂犬病项目现在又重新启动了。她总结道：“如果这种疫苗获得临床使用许可，它不仅将证明我们的mRNA平台的原理，还将满足重要的医疗需求。”
位于英国达林顿的CPI RNA技术卓越新中心的重大挑战负责人Juliana Haggerty认为，mRNA疫苗技术的下一个目标疾病将是人们更为熟悉的一种：流感。每年都必须生产一种新的流感疫苗，以匹配正在传播的病毒株，而设计和开发每种疫苗所花费的时间使得这一过程相当容易出错。如果疫苗和菌株不匹配，疫苗就会失效，有时还会导致流感大流行。“mRNA方法几乎可以是‘即插即用’的，因此疫苗设计变得更快，整个过程可以晚些开始，当对正在传播的毒株了解更多，匹配的机会更高时，”Haggerty解释道。这种速度在下一次出现具有大流行潜力的病毒时将变得更加重要，这是迟早的事。CPI生物制剂业务部门主管Lucy Foley补充说：“我们的目标是在短短100天内完成‘从序列到手臂注射’的过程，这一过程在COVID-19期间需要300天。”
这项技术不太可能像盖茨希望的那样完全“填补(所有)缺失的疫苗”。然而，我们现在可以有把握地预测，它将填补一些重要的空白。Green说，COVID-19大流行可能被证明是疫苗技术的伟大加速器，就像二战后的核能一样。如果是这样，最重要的进展可能是那些使用mRNA的技术。
原文：C.Sansom, mRNA vaccines for Covid and beyond. ChemistryWorld, 2021.
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