2023诺奖 | 他们在挫折与逆境中前行

近期，2023诺贝尔奖陆续颁布。其中，诺贝尔生理学或医学奖授予卡塔琳·卡里科和德鲁·韦斯曼。

他们研制出了有效抗击疫情的疫苗，向科学界和公众证明了mRNA在预防和治疗方面的巨大潜力。两位也因为发现了核苷酸修饰，进而帮助开发了能够有效对抗COVID-19的mRNA疫苗。‍

卡里科曾说：“科学发现的道路从来不是一条简单的直线，每个路口都有它的曲折，都需要国际上的协同努力和众多科学家的共同奉献。但重要的是，要不断提出问题，保持好奇心。”

今天的文章，就让我们一起来看看这两位科学家如何在挫折与逆境中前行的。

几十年来，数以百计的科学家一直在试图研究信使RNA（mRNA）疫苗。然而，直到新冠病毒大流行期间，才为世人所瞩目。

在卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）和德鲁·韦斯曼（Drew Weissman）坚持不懈的基础研究和研发工作下，他们研制出了有效抗击疫情的疫苗，向科学界和公众证明了mRNA在预防和治疗方面的巨大潜力。

两位也因为发现了核苷酸修饰，进而帮助开发了能够有效对抗COVID-19的mRNA疫苗，而获得了2023年诺贝尔奖生理学或医学奖。

左：卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó），右：德鲁·韦斯曼（Drew Weissman）。（图/Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach)

  好奇心、勇气、信念  

1955年1月17日，卡里科出生在匈牙利的一个只有约一万人口的小镇上。她从小就有强烈的好奇心，喜欢爬到树上去看鸟窝，看邻居家的母牛分娩，甚至观察她身为屠夫的父亲处理猪肉。

在小学和中学时，她遇到了非常好的科学老师，激发了她对自然和生物的兴趣。在高中时，尽管卡里科从未遇见过一个科学家，但她已立志那将是她要的职业。

1972年，卡里科进入塞格德大学，在那里取得博士学位后，她进入塞格德生物研究中心工作了几年。但由于中心缺乏经费，她不得不在30岁时做出离开匈牙利的选择。1985年，她与丈夫和两岁的女儿一同前往美国。她先是在天普大学做了三年博后，又在马里兰州的健康科学统一服务大学工作了近一年。

1989年，她收到了宾夕法尼亚大学的一个研究助理教授的职位，从那时起，卡里科开始专注研究mRNA。

在卡里科看来，尽管mRNA存在许多技术上的障碍，但它具有明显的优势：与备受瞩目的DNA疗法相比，mRNA无需进入细胞́的细胞核就能发挥作用；而且mRNA不会进入目标细胞的基因组中，能规避DNA疗法的致突变性风险；此外，由于mRNA的降解速度很快，所以它的时效性可以得到很好的控制。

她坚信通过将mRNA引入活细胞来刺激蛋白质的产生，能够为患有遗传性疾病的患者提供缺失的蛋白质或替换掉有缺陷的蛋白质。

  mRNA的曲折历史  

1960年，科学家证实了mRNA分子的存在。这种信使分子可以将存在于细胞核中的DNA所携带的遗传信息，递送到细胞质的核糖体中，在那里，这些信息能指导蛋白质的合成。通过这种方式，遗传信息就被转化为了生物功能。

虽然在接下来的数十年里，科学家从未停止过对mRNA的研究，但mRNA却一直笼罩在DNA分子的“阴影”之下。与DNA分子相比，mRNA有一个重大弱点——它非常不稳定。此外，外来的mRNA通常会被免疫系统视为有害的入侵物，进而诱发免疫反应，并在反应过程中释放炎症信号分子。

不仅如此，从技术上看，如何将mRNA递送到生物体内的细胞也是一大难点。原因在于首先我们的体内充满了消化RNA的酶；其次，就算RNA分子能够成功地在细胞外环境中存活足够长的时间，并与目标细胞相遇，也会面临另一个巨大障碍——脂质双分子层。因为mRNA太大了，无法在细胞膜上扩散，而且它们还携带负电荷，而负电荷会被油性屏障阻挡。

基于这些原因，mRNA被认为永远不可能成为药物开发和医学应用的合适候选。

对mRNA的不稳定性和递送的忧虑是学界的主流观点，鲜少有研究人员有决心直面这些挑战。而卡里科就是一个坚信mRNA技术具有巨大潜力，并努力不懈地想要攻克这些挑战的人之一。

COVID-19大流行之前的疫苗生产方法。（图/The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén）

  遇见德鲁·韦斯曼  

为了有机会将自己的信念转变为现实，卡里科首先要解决的问题就是经费。在上个世纪90年代的大部分时间里，卡里科都在向政府和企业申请经费以支持她的研究。但是等待她的却是不断的拒绝，没有人认为她或任何其他人能够克服那些障碍。

那是一段艰难的岁月，为了能继续进行研究，最后她接受了宾夕法尼亚大学对她降职减薪的要求。

她之所以愿意以这种形式继续留在宾大，主要原因是那里有与她同样对mRNA疗法抱有热情的科学家——Elliot Barnathan和David Langer。其中，心脏病学助理教授Barnathan更是在她于1989年刚来到宾大时就为支付她薪水，支持她研究mRNA的人。

转机出现在1997年，她遇到了愿意与她一同冒险的合作伙伴。她在医学院公共复印机旁遇到了免疫学家德鲁·韦斯曼（Drew Weissman）。当时，他们二人正在为复印期刊论文而争抢打印机，接着他们开始交谈，并了解彼此正在复印的内容是什么。

韦斯曼正试图制造一种HIV疫苗，卡里科认为她可以帮上忙，她能用mRNA模板诱导细胞来构建出具有免疫反应性的HIV蛋白。于是，卡里科加入了韦斯曼的实验室。

  无人关注的突破  

卡里科和韦斯曼在培养皿中将mRNA递送到未成熟的人类树突细胞中。在人体内，这些细胞充当的是免疫系统的“哨兵”角色，当与外来入侵物发生自然接触时，这些细胞会转变为成熟的形态，从而激发T细胞发挥作用。他们观察到，mRNA除了促进了HIV蛋白的大量制造之外，还诱发了一个成熟信号。

这一发现让卡里科喜忧参半。一方面，mRNA所表现出的这些特性或许可以用于疫苗；但另一方面，它又会损害以mRNA为基础的蛋白质替代疗法，因为成熟的树突状细胞会分泌细胞因子，从而激发身体免疫系统中的其他成分，由此可能造成具有严重伤害的炎症。

这意味着，这样的mRNA对医学治疗是没有应用价值的。这让卡里科非常失望。他们想要弄清楚为什么mRNA如此具有炎症性，以及能否找到一个可以避免激活免疫系统的方法。

他们做的第一步是试图辨别那些会唤醒树突细胞的mRNA的特征。他们测试了不同来源的RNA，观察到了不同RNA所诱发的强度不同的反应，发现哺乳动物的转运RNA（tRNA）不会引起任何异动。

mRNA包含4种碱基，分别缩写成A、U、G和C。诺奖得主发现，碱基修饰的mRNA可以用于阻止炎症反应的激活（信号分子的分泌），并在将mRNA传送到细胞时增加蛋白质生成。（图/The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén）

tRNA究竟有何特别之处？我们知道，RNA含有4种基本的核苷，分别是腺苷（A）、鸟苷（G）、胞苷（C）和尿苷（U）。而tRNA却有一个重大不同，那就是它们含有大量所谓的修饰核苷。修饰核苷与标准核苷有细微的区别，它们可能携带额外的化学基，或者它们的分子是通过不同的原子连接在一起的。这为卡里科和韦斯曼提供了思路，他们想知道，经过修饰的核苷是否可以使mRNA也产生免疫惰性。

为了验证这一想法，卡里科和韦斯曼在资金紧张的状况下，创造了一组mRNA，其中每个都携带着特定的修饰核苷。然后，他们将这些mRNA递送到树突细胞中。接着，他们对树突细胞的成熟情况进行了检测。除此之外，他们还检测了两种传感器——Toll样受体7（TLR7）和Toll样受体8（TLR8）——的激活情况，TLR7和8可以探测单链RNA，并在反应中产生细胞因子。

经过这些测试，他们发现用修饰过的核苷替代常规核苷的确可以弱化mRNA的炎症反应，因为它们无法激活TLR7和TLR8。换句话说，他们找到了制造出非炎症性的、可用于医疗的mRNA，完成了一项能改写游戏规则的发现。

他们将数据投送给了《自然》杂志，但在不到24小时内就被拒了，原因是这是一项“增量贡献”。最终，这些结果于2005年发表在了《免疫》杂志上，论文指出，将尿苷替换成假尿苷，就可以有效防止免疫反应的激活。

卡里科和韦斯曼都意识到，这是一项打破mRNA技术瓶颈的突破，他们开始想象mRNA在许多不同疾病治疗中的应用，试图开发出可用于疫苗、基因疗法的mRNA。然而，就在他们期待从其他研究人员那里收到热烈的回应时，却发现并没有人在意这一结果。他们想，在一些会议上介绍这项工作或许会有助于传播这一结果，但并没有人邀请他们这样做。

  逆境中前行  

不过，二人前进的脚步并没有因为周遭的“漠视”而停下。又花了一段时间，他们在2008年的《分子治疗》杂志上发表了后续的研究，表明与含有未经修饰的尿苷的mRNA相比，含有假尿苷的mRNA不仅能在细胞提取物和培养皿中产生功能性蛋白质，还能提高蛋白质的产量。而且他们在小鼠身上证实了这些观察。

改进仍在继续。虽然用假尿苷替代可以削弱免疫反应，但并没有完全消除免疫反应，其部分原因在于用于合成mRNA的酶有可能出错，会产生双链RNA和其他一些引发炎症的分子。

于是，他们又开发了一种可以去除这些污染分子的方法，从而提高了哺乳动物细胞中蛋白质生产的效率，同时还消除了残留的安全隐患。他们将这套系统在小鼠身上进行了测试，证实了这种方法的有效性。2012年，他们将这种方法扩展到猴子身上，得到了同样积极的结果。

这时候，大家已经意识到，卡里科和韦斯曼的抑制免疫反应的策略可用于疫苗技术。2013年，卡里科前往德国的BioNTech。不久后，1-甲基假尿苷出现了，它在避免免疫反应和增强蛋白产出方面都比假尿苷更强。

一直以来，研究人员都使用脂质包裹来促进细胞对mRNA的摄取，防止其降解。但这类方法都存在毒性、不稳定性等问题，难以安全有效地在人体中使用。许多实验室都在制造能递送核酸的物质，每次有新的核酸出现，卡里科和韦斯曼的团队就会对其进行分析。

2015年，韦斯曼实验室的一名博士后研究员诺伯特·帕迪（Norbert Pardi）发现，脂质纳米颗粒（LNP）具有巨大的临床应用潜力。用这种特殊的脂质纳米颗粒包裹着mRNA，使得mRNA得以正常完成它的工作。

在那之后，疫苗领域和其他RNA领域开始腾飞。在不到两年时间里，帕迪、韦斯曼和卡里科在此前的基础上设计出了一种针对寨卡病毒的候选疫苗。并发现当小鼠和猴子接种一次这种疫苗，就可以产生快速和持久的免疫力。

当SARS-CoV-2肆虐时，mRNA疫苗再次进入人们的视野。他们发展的mRNA技术被成功地用于制造最早一批COVID-19疫苗（关于mRNA疫苗背后的历史可进一步阅读《自然》发表的The tangled history of mRNA vaccines）。其实在COVID-19爆发之前，他们就已经知道这种技术能带来极有潜力的疫苗。卡里科和韦斯曼正在研究如何将这种技术应用于任何一种可以想象到的传染病。

许多其他的研究团队也加入了这一领域，正在用这种技术为多种疾病研发疫苗。现在，许多科学家都希望通过这种方法所提供的治疗性蛋白质，能够对抗包括癌症、传染性疾病和自身免疫性疾病在内的多种疾病。

如今，卡里科和韦斯曼成了生物医学研究界的名人。在这场疫情中，他们的不懈努力已经拯救了无数生命，他们的关键发现有望彻底改变医学科学。在这几年里，为了表彰他们在研制疫苗中起到的作用，他们荣获了许多奖项，比如阿尔伯尼医学中心医学和生物医学研究奖、突破奖、本杰明·富兰克林生命科学奖章，以及拉斯克奖等。

在2021阿斯图里亚斯王储奖的颁奖典礼上，卡里科在演讲中说道：