卡里科最新深度访谈：围绕mRNA技术，目前全球有150多项临床试验在开展

2023-11-13

信使RNA疫苗

导读今年诺贝尔生理或医学奖公布后，获奖者之一卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）一时间成为众星捧月的对象。最近，卡里科接受EMBO reports采访。在这次访谈中，卡里科分享了自己在科研生涯中所面临的种种挑战、mRNA技术是如何诞生的，以及新冠过后未来mRNA疫苗又该何去何从？卡里科还提到了自己对科研的热爱，尽管有的时候压力很大，她也会想办法把“坏压力”转为“好压力”，因为热爱，所以她能持续前进。 01像魔术一样：细胞在指令下产生大量蛋白质问：您职业生涯中最大的转折点是什么？卡里科：20世纪80年代末至90年代中期，我在宾夕法尼亚大学的心脏科工作，导师是埃利奥特·巴纳特纳（Elliot Barnathan）。我的同事们在使用动物模型来研究旁路手术的治疗，当时面临了一个很大的难题：血液凝固。早期的研究表明，将合成mRNA注入细胞可以按需触发特定蛋白质的生产，于是我们想看看是否可以使用这种方法帮助改善血管移植。我将mRNA注射到小鼠血管中，15分钟后，我们可以看到原本不存在的蛋白质。非常神奇的是，细胞根据指令产生了大量的蛋白质！下一步，我们要做的就是找出所需的mRNA。巴纳特纳研究了一种结合尿激酶的受体，它能抑制血液凝固。我们使用了mRNA方法编码受体并指导细胞制造这种受体。当时，我们站在点矩阵打印机旁边，看着打印机慢慢地打印出结果，直到今天我仍然清楚地记得那种声音：切克-切克-切克。之后，我们终于得到了完整的打印输出，令人惊讶的是，我们看到许多倍的放射性标记尿激酶与用其受体的mRNA结合。这是我认为mRNA在医学上具有明确潜力的关键时刻，因为理论上它可以用来指导任何细胞制造任何一套蛋白质。我开始思考，或许不仅仅是在心脏手术领域，还可以使用mRNA输送编码端粒酶的RNA来延长骨髓细胞的寿命。但在20世纪90年代中期，我们对这方面还缺乏经验。问：接下来的步骤是什么？卡里科：虽然我们能够让mRNA分子在培养皿中按需指导细胞制造蛋白质，但当涉及到在活的生物体中进行实验时，身体的免疫反应会阻碍这一过程。这真的很令人头大：mRNA是体内每个细胞制造的，不会引起不良免疫反应，我们不知道为什么我们的合成mRNA会引起炎症。由于该技术的不稳定性和输送效率低下，许多专家和资助者都在质疑，mRNA技术是否能在医学上大放异彩？尽管如此，我始终坚信，我们研究的东西是有价值的。1997年，我在宾夕法尼亚大学神经外科系成立了一个实验室。有一天，我在一台静电复印机上复印研究论文时，偶然遇到了德鲁·魏斯曼（Drew Weissman）。Drew Weissman 图源Wiki尽管当时我和魏斯曼在不同的领域和部门工作，但我们都意识到，我们的工作之间有很多相似之处。那次谈话后，我们的合作变得非常紧密。魏斯曼对树突状细胞很感兴趣，这些细胞在疫苗诱导的免疫反应中起主要作用。另外，他对mRNA的潜在应用非常看好。在很多方面，mRNA都是完美的疫苗候选物，特别是因为它编码抗原并激活其佐剂。不过我对于这一方向比较谨慎，因为我知道探索制造非免疫原性mRNA的方法很重要，但当时我们还没有答案，作为我们小团队中的RNA专家，我知道，这很大程度上取决于我。我们花了几年的时间研究不同类型的RNA如何与免疫系统相互作用。之后，我们使用人类树突状细胞的mRNA进行一系列控制，我们注意到在某些情况下，tRNA不会在我们的样本中引发相同的炎症反应。这就提出了一个问题：为什么体外转录的mRNA被识别为外来物，而来自哺乳动物细胞的tRNA不会引起相同的反应？tRNA中大约四分之一的核苷酸具有天然的修饰，这给了我们一个关键线索：mRNA中的核苷酸修饰是否能够阻止这种不良免疫反应？我们生产了大量不同种类的mRNA，对化学碱基进行了改变，发现将假尿苷添加到尿苷位置的修饰，可以减少免疫系统对引入的mRNA的反应。后续的研究还表明，使用这种修饰的mRNA的方法，调节蛋白质生产的的关键酶的活性降低了，每个细胞中产生了更多的所需蛋白质。在做完这项研究后的几天，我们坐在那里看着结果，试图弄清楚它们的意义和实践意义。很快，魏斯曼就想到我们应该如何在治疗中使用这种方法，特别是针对自身免疫性疾病。不过在那个阶段，我们仍然有许多障碍需要克服：这在体内会起作用吗？我们如何将其纯化到足够进行有效翻译的程度？这些都还没有人尝试过。目前，这些早期的障碍都被我们克服了。02与魏斯曼的合作：mRNA疫苗从诞生到应用问：这一发现的关键因素是什么？卡里科：魏斯曼是一位免疫学专家，而我是一个专注于mRNA的基础研究人员。我们都有不同的背景，对问题的看法也大相径庭。最近，人们都在关注一个话题，那就是如何将人们聚集在一起来促进创新和发现，在科学领域，多样化、多学科、国际化的团队是至关重要的。在我们的案例中，两个人有着不同的背景，我们把知识集中起来，想出了答案。问：您是如何与BioNTech合作的呢？卡里科：2013年，第一个针对狂犬病的mRNA疫苗候选进入了人体临床试验。这项试验有一个挑战，那就是虽然我们可以克服身体的免疫反应，但mRNA会在传递信息给细胞之前迅速降解。不过后来出现了一项新技术打破了这一困境：通过将mRNA传递到脂质纳米颗粒（LNP）的细胞中，来解决迅速降解问题。这一突破性的基础工作在过去四十年中得到了发展，然而在该方法成熟之前，人们对mRNA的潜力仍有许多疑虑。为此，我努力争取资金，被迫离开宾夕法尼亚大学的职位。我在欧洲联系了一位前同事，向他解释了我的情况。他给我指明了一个方向——BioNTech。当时BioNTech是一家位于德国美因茨大学校园内，探索基于mRNA的药物的小型初创公司。当时BioNTech的创始人和首席执行官Uğur Şahin邀请我去美因茨发表演讲，我在会上第一次遇到了他，他给了我副总裁的职位。尽管当时公司甚至还没有网站，但我感觉这个组织的雄心和员工们都非常出色，我同意加入他们，唯一条件就是他们允许我继续研究修饰核苷。问：mRNA新冠疫苗的开发和推出过程中，您有哪些记忆最深刻？卡里科：2013年至2020年初，我每年有10个月的时间往返于美因茨，与还在美国的家人分开。当新冠来袭时，我决定回到宾夕法尼亚州与家人团聚，并远程为BioNTech工作。2020年3月13日星期五，我抵达家中，当天美国宣布全国进入紧急状态。幸运的是，我设法搭乘了在一切被封锁之前的最后一次飞行之一。从那时起，我的日子充满了视频通话、在线演示和会议。我们想尽快了解有关该病毒的一切。2020年3月16日，莫德纳向第一位志愿者注射了新冠疫苗候选物，从序列选择到第1阶段临床试验，仅用时63天。到年底，第一批人已经开始接种辉瑞-BioNTech生产的新冠疫苗——Comirnaty。图源YouTube我和魏斯曼一起在宾夕法尼亚大学接受了第一剂疫苗。当时，我的感觉非常棒，因为我对疫苗的成分和历史非常了解。但大流行开始时，宾夕法尼亚州和世界许多其他地方的尸体堆积如山，被扔到敞篷卡车上-冷藏能力不足，我们根本不知道何时结束。随着时间的推移，我们对于这种疾病了解也更为深刻：老年人或具有某些遗传倾向的人更容易死亡。一线工作人员有时会死亡，因为无论一个人多么年轻或强壮，如果体内有太多病毒，身体可能无法及时反应。尽管这些事情都令人痛苦和心碎，但我们也了解到人们可以采取措施来保护自己和他人免受病毒侵害。这包括戴口罩、勤洗手、接种疫苗以及避免聚集等措施。最重要的是，我们了解到面对危机时团结一致的重要性以及科学在解决这些问题方面所起的关键作用。03如何将mRNA疫苗推广全球问：您认为在疫苗推广方面，从新冠疫情中吸取的主要教训是什么？卡里科：无论疫情是在武汉爆发，还是在世界任何角落爆发，它都可以迅速传播到各地，因此我们需要优先考虑疾病检测策略。最近，比尔·盖茨推出了一种方法，可以根据需要随时动员团队。从疫苗开发的角度来看，我们需要能够识别病原体、建立检测方法、提出隔离病原体解决方案并推动医疗反应发展的专家。疾病在爆发期间，比如埃博拉病毒，阻止传播的最佳方法是尽快隔离和治疗感染者，然后立即实施其他策略，如接触者追踪、公共警告，并在可能的情况下为一线工作人员接种疫苗。对于任何新疾病，我们都要做到这些，并且尽快了解疾病，包括识别保护性抗体、制造mRNA，将第一批疫苗提供给一线工作人员和最脆弱的人群。通过建立世界各地的专家网络，我们可以更容易地发现疫情爆发的危险并采取行动。在机构层面，建立这些网络也非常有意义，如宾夕法尼亚大学的全球医学系和世界卫生组织在德国柏林的新流行病和流行病预防中心。然而，许多项目需要采取全球性的方法——科学家之间建立联系，一起做一些工作，而不仅仅是专注于疫苗开发。问：是否有扩大全球疫苗生产设施的案例？卡里科：出于人道和健康考虑，在疫苗分配方面，公平分配疫苗至关重要。此外，临床试验和生产过程中，必须保持极其严格的标准。如果做得不好，后果可能是可怕的：例如，最近发现受污染的咳嗽糖浆与非洲和亚洲数百名儿童的死亡有关。因此，在扩大生产能力和解决疫苗分配不公等其他障碍之间，我们需要取得平衡。另外，疫苗民族主义是一个主要障碍。如果每个国家都开发自己的疫苗，那么这将是一种非常低效的资源使用方式。在非常时期之外，维护生产设施也存在着巨大的经济挑战。随着技术的不断发展，这些设施也必须是动态更新的。因此，更好的方法是集中精力发展几家管理良好的疫苗设施，然后在情况出现时作为全球战略的一部分进行反应。在新冠期间，我们看到与学术界和政府合作的大型制药公司能够快速适应生产挑战。较富裕的国家有责任推动这一进程，并在全球范围内资助合乎伦理、安全和流行病学要求的疫苗生产，以控制疫情爆发。问：您认为专利阻碍了疫苗的全球供应吗？卡里科：专利的存在是有充分理由的，因为它们为投资提供了一定程度的保护。我记得我和魏斯曼曾讨论过，我们最初决定不许可任何东西，因为我们想让每个人都可以使用mRNA技术。但是大学的技术转移专家警告说，如果我们不许可，没有人会开发产品，因为临床试验没有多少投资动机。这个制度当然还不够完善，目前存在许多争议，这对律师来说是一个大显身手的好机会。但美国Bayh-Dole法案等立法旨在促进政府资助的研究商业化，对创新和大部分收入再投资于研究和开发更多产品产生了明确的积极影响。问：mRNA疫苗和治疗最新的发展状况如何？卡里科：长期以来，有一种普遍的观点认为，最好的疫苗是使用病毒和单个病毒成分（如部分遗传密码）产生的，通过这种方法生产出来的疫苗拯救数百万人生命。然而，一个主要问题是，它们的开发和生产需要大量资源。因此，许多研究人员开始寻求开发不需要细胞培养的疫苗技术，例如DNA疫苗。长期以来，这种方法被用于治疗艾滋病毒等疾病。DNA疫苗的一个问题是，即使在较小的动物模型中成功进行试验，要让它们在较大的哺乳动物（如人类）中发挥作用。这就意味着疫苗中使用的DNA量需要按比例增加，因此要准备大量的DNA。在新冠之前，生物医药领域已经出现了针对流感和寨卡病毒的mRNA疫苗开发。虽然这些研究尚未生产出批准的疫苗，但也出现了非常喜人的成果。例如，在寨卡病毒疫苗临床试验中出现了一个有趣的结论：为了防止病毒感染，较大的哺乳动物需要相对少量的mRNA。此外，在开发mRNA新冠疫苗时，很多研究都在围绕在脂质纳米颗粒中传递的修饰mRNA展开。辉瑞-BioNTech生物技术公司对胰腺癌的研究特别感兴趣。胰腺癌是一种非常具有侵略性的疾病，在一组（16名）接受肿瘤切除手术并接受个性化mRNA治疗的参与者研究中，一半的人产生了T细胞，这些T细胞可以识别危险的癌细胞并防止肿瘤复发。这不仅提出了为什么一半的参与者从治疗中受益的问题，还提出了为什么另一半没有受益的问题。同样，莫德纳和默沙东宣布了针对黑色素瘤的基于mRNA的抗癌疫苗的三期试验，以及CureVac针对胶质母细胞瘤的一期试验。目前全球有150多项临床试验正使用mRNA技术应用于对抗，包括呼吸道合胞病毒（RSV）、寨卡病毒、艾滋病毒、单纯疱疹病毒（HSV）、疟疾、爱泼斯坦-巴尔病毒和结核分枝杆菌。每种疾病都有许多挑战需要克服：例如，流感有多个毒株，通用疫苗必须针对不同的病毒表位进行编码。HSV可能需要多种疫苗来抵消副作用。另一方面，像疟疾这样的疾病发展方式非常适应，因此研究会侧重于识别不会患病的个体的抗体，以及与寄生虫相关的蛋白质。细胞内病原体如结核分枝杆菌增加了额外的复杂性，因为它们能够在细胞内生活和复制，使它们能够躲避免疫系统，因此必须采取支持免疫细胞识别感染细胞的措施。尽管媒体关注的焦点很多都集中在疫苗上，但许多正在开发的mRNA技术应用并不局限于疫苗，而是多种其他形式的治疗。在癌症领域，BioNTech和莫德纳正在尝试通过将细胞因子注入肿瘤来引发抗肿瘤免疫反应的潜在治疗方法。莫德纳还一直在探索使用基因组编辑技术来修饰mRNA的核苷以治疗血管性水肿和镰状细胞病等疾病的mRNA。虫媒传染病也成为了关注的焦点，不仅是病毒性脑炎等病毒性传染病，还有由伯氏包柔螺旋体等病原体引起的细菌感染，可导致莱姆病。通过生成编码蜱唾液中蛋白质的mRNA，人们认为这可以刺激一旦被蜱咬伤的免疫反应。基于蛋白质的过敏症，如花生和尘螨过敏症，也可能从过敏耐受的mRNA研究中受益。与此同时，技术方面也在快速发展，尤其是在更短的时间内产生mRNA。随后，mRNA方法呈现了一种更简单、更快、更便宜的方法。随着我们积累更多的知识和技术变得更加复杂，我很高兴看到未来会发生什么。04因为热爱，所以将继续前进问：您在2023年10月出版了一本名为《突破：我的科学人生》（Breaking Through：My Life in Science）的新书：您想传达什么关键信息？卡里科：我遇到了很多科学家，特别是女性，她们由于不可控因素不得不放弃梦想，我们也不知道错过多少了不起的发现。因此，我希望我的书能强调为女性和其他代表性不足的群体提供机会的重要性。我也想激励早期职业研究人员在事态发展出乎意料时，保持韧性。生活中很多事情都是偶然发生的。魏斯曼和我非常幸运，碰巧他那个时候在研究对我们很重要的树突状细胞。同样的，当我加入BioNTech时，我并没有想太多关于方向的问题，而是如何振作起来，顺其自然，继续体验解决问题的乐趣。大多数时候，当科学家想出解决方案时，我们确信这会是一个好的解决方案，结果有时却恰恰相反。但重要的是我们要继续尝试：在许多方面，成功可以通过一个人在失败后如何保持热情来定义。帮助我度过这段时间的是我在学校时的一位老师，这位老师向我们介绍了压力理论。从那时起，我一直试图将“坏压力”——那种让你筋疲力尽、失去动力的压力——转化为“好压力”——那种激励和鼓舞你的压力。根据我的经验，练习感恩是有用的，不要与别人比较，要专注于你能改变的事情，而不是那些你无法影响的事情。像许多科学家一样，在我的职业生涯中，我面临了很多挑战，特别是在寻找实验室职位和获得资助方面。我之所以坚持下去，是因为我喜欢做研究员——那种你是第一个学到新东西的人、终于看到拼图组合起来后获得成功的喜悦。参考资料Getting the message right.EMBO reports.https://www-embopress-org.libproxy1.nus.edu.sg/doi/full/10.15252/embr.202358261