2023年诺贝尔生理学或医学奖表彰Katalin Karikó与Drew Weissman关于核苷碱基修饰的发现，该发现对于新冠mRNA疫苗研发至关重要。然而除此之外，新冠mRNA疫苗背后还有其他诸多重要的科研硕果值得关注。本文梳理了mRNA疫苗诞生过程中不可或缺的关键突破，如mRNA的发现、RNA的人工合成、RNA的碱基修饰、脂质体的创生和发展以及用于RNA递送的脂质纳米颗粒主要成分的确定等。新冠mRNA疫苗背后的重大科研突破凸显了坚守冷门而重要研究的难能可贵。指出了应正确认识热门学科与冷门学科的辩证关系，推动对冷门学科的倾斜支持，并关注学科发展的均衡配置。
接种疫苗是控制传染病最为行之有效的手段，在医学史上疫苗挽救的生命远多于其他任何医疗手段。人痘接种术在千年之前诞生于中国，之后逐步向亚欧大陆普及；Edward Jenner于1796年将挤牛奶女工的痘液接种到8岁男孩身上标志着牛痘接种法的诞生。19世纪末至20世纪上半叶，减毒疫苗、血清疗法、卡介苗、百日咳疫苗、流感疫苗等相继问世。
20世纪50年代，又有两项疫苗相关研究获得诺贝尔奖。1937年Max Theiler等开发出了黄热病减毒疫苗，于1951年获得诺贝尔生理学或医学奖。1949年John Enders、Thomas Weller和Frederick Robbins实现脊髓灰质炎病毒的组织培养，荣获1954年诺贝尔生理学或医学奖。1955年脊髓灰质炎疫苗研发成功。
20世纪下半叶，疫苗领域重大突破则与分子生物学息息相关，乙肝疫苗是历史上第一款基于分子生物学基因重组技术的疫苗。1965年Baruch Blumberg鉴定出血液中的乙肝抗原，于1976年获得诺贝尔生理学或医学奖。1979—1982年，William Rutter、Pablo Valenzuela与同事成功克隆出乙肝病毒表面抗原，为乙肝疫苗在1986年问世打下基础。
时至今日，疫苗开发仍是历久弥新的挑战，而疫苗研发的技术创新则不断书写出新的篇章。
1 初心未改：
mRNA的医学发展
1.1
石破天惊：
mRNA的发现
1960年秋天，François Jacob和Jacques Monod首次将该RNA称为信使RNA（messenger RNA），并讨论了mRNA参与基因表达的调控机制。发现mRNA石破天惊的开创性工作在生物学史上的重要性毋庸置疑，很多人为Sydney Brenner未能因发现mRNA获得诺贝尔奖而鸣不平。直至2002年，Brenner才因对线虫器官发育的研究获得诺贝尔奖。
1.2
巧夺天工：
mRNA的人工合成
mRNA疫苗的研发以mRNA序列的人工合成为技术基础，只有人工合成才能保证mRNA疫苗研发所需序列的可及性和准确性。Michael Green、Tom Maniatis与Douglas Melton于1983年使用SP6体外转录体系成功合成了人β球蛋白的前体mRNA。哈佛大学的Paul Krieg与Douglas Melton进一步表明，将人工合成的前体mRNA注射进卵母细胞，可在3'末端发生准确剪接形成成熟mRNA。至此，体外合成mRNA的体系构建成功。
1984年，Paul Krieg与Douglas Melton报道了SP6体外转录体系可以人工合成微克量级的β球蛋白mRNA。将这些mRNA注入体外卵母细胞，可观察到β球蛋白的合成。
1.3
初试牛刀：
mRNA合成蛋白质及医学应用早期尝试
1992年，斯克利普斯研究所的Gustav Jirikowski课题组将抗利尿激素mRNA注射到患有尿崩症大鼠的下丘脑细胞中，观察到暂时性症状缓解。从下丘脑组织提取的mRNA与人工体外合成的mRNA两者都有类似的治疗效果。本实验将人工合成的mRNA导入活体哺乳动物细胞，合成所需蛋白质（抗利尿激素）用于疾病治疗，堪称mRNA医学实践的初试牛刀。
1.4
突破瓶颈：
mRNA修饰碱基可逃过免疫系统的攻击
2023年诺贝尔生理学或医学奖获得者Katalin Karikó与 Drew Weissman 发现，将体外人工合成 mRNA 注入活体动物细胞会引发强烈免疫反应。他们进行系统性研究：第一步，推测哪种碱基引发免疫反应，通过文献推测可能是尿嘧啶；第二步，以树突状细胞为研究系统，设置tRNA对照组，提出大胆假设并小心求证，将修饰碱基替换常规碱基，结果免疫反应大幅降低或消除，对尿嘧啶替换效果最显著，突破了mRNA疫苗研发瓶颈；第三步，发现伪尿嘧啶替换尿嘧啶后，mRNA翻译效率大幅提高，有一石二鸟之功。他们的系统性研究体现问题导向连贯性，遵循假设演绎法逻辑，体现出专注课题、深入挖掘、抽丝剥茧、层层递进的研究特点。
2 步步为营：
脂质递送系统的演进
mRNA疫苗脂质递送系统研究肇始于20世纪60年代，经历了从脂质体到脂质纳米颗粒步步为营的演进。在mRNA疫苗的生产过程中，mRNA的人工合成与脂质递送系统的制备是独立的过程，最终将mRNA成功装入脂质递送系统，才完成两者的珠联璧合。
2.1
概念肇始：
脂质体的发现与描述
脂质体研究始于20世纪60年代，Alec Bangham由病理解剖学转向脂质体研究。脂质体为封闭囊泡状膜结构，由Gerald Weissmann命名为“脂质体”。1965年，Bangham及其同事指出脂质体的脂质双分子层类似生物膜。Bangham的奠基性工作开启了药物递送领域新篇章，脂质体也广泛应用于化妆品产业。
2.2
承上启下：
mRNA的早期递送实践
1978年8月31日，Nature同时刊载的两篇论文具有相似的分析思路、实验方法和研究结论。他们都将脂质体包裹的mRNA成功运送到细胞中，并顺利完成了相应蛋白质的表达。英国国家医学研究所Giorgos Dimitriadis用脂质体包裹兔球蛋白mRNA，导入鼠脾淋巴细胞，在放射性氨基酸培养基中完成mRNA翻译过程，检测到带有放射性兔球蛋白的生成。伊利诺伊大学芝加哥分校的Sheldon Dray团队将从兔网织红细胞提取的兔球蛋白mRNA包裹在脂质体中，将其导入细胞系，观察到兔球蛋白的表达。这两个开创性实验成果在mRNA疫苗发展历程中具有承上启下的意义，标志着脂质体包裹mRNA在导入动物细胞实践中的可行性。
2.3
别具匠心：
阳离子脂质的引入
1978年的实验尽管成功地将包裹mRNA的脂质体导入细胞，然而导入效率不高。1987年Philip Felgner敏锐指出：如果在脂质体中掺入阳离子脂质，则可能大幅提高脂质体导入细胞的效率。带有正电荷的阳离子脂质更容易包裹带负电荷的核酸，更容易与表面带负电的细胞膜融合，提高转染导入效率。1987年他率领团队将含有阳离子脂质的脂质体与DNA混合，发现两者快速融合，几乎100%的DNA都包裹在脂质体中，脂质体导入小鼠细胞也十分顺利。
2.4
初露锋芒：
mRNA疫苗的雏形
20世纪90年代初，脂质体包裹DNA的早期疫苗研究率先取得进展。在此启发下，1993年，法国国家健康与医学研究院的Frédéric Martinon与在业界推动疫苗研发的Pierre Meulien等在体外转录得到流感病毒核蛋白mRNA，将包裹有该mRNA的脂质体注射到小鼠体内。流感病毒核蛋白在小鼠体内产生，引发免疫应答。此后模拟流感病毒感染，将流感病毒血凝素注入小鼠，小鼠体内免疫反应强烈，产生大量细胞毒性T淋巴细胞。1995年，阿拉巴马大学伯明翰分校的David Curiel团队在体外合成了癌胚抗原mRNA，将该mRNA包裹在脂质体中，分多次注射至小鼠细胞，使小鼠产生免疫能力。之后对小鼠模拟抗原入侵，向小鼠体内注射能产生癌胚抗原的肿瘤细胞。检测表明实验组小鼠大多产生癌胚抗原抗体。以上2个实验是mRNA疫苗的早期初露锋芒的研发尝试，针对流感与肿瘤，分别显现出预防性mRNA疫苗与治疗性mRNA疫苗的雏形。
2.5
柳暗花明：
脂质递送系统4种成分的确定
近年来，诸多国际奖项同时授予Katalin Karikó、Drew Weissman与Pieter Cullis三位科学家。Cullis虽未获诺贝尔奖，但mRNA疫苗的成功离不开他的贡献。近年来，mRNA疫苗及药物产业加速发展。
3
结论
论文全文发表于《科技导报》2024年第18期，原标题为《冷门学科的坚持与坚守——2023年诺贝尔生理学或医学奖的启示》，本文有删减，欢迎订阅查看。
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