蹦蹦熊的探險之旅
——走近mRNA疫苗

李森淼，陳建成

南京大學化學化工學院，南京 210023

“嘿，蹦蹦熊。你知道嗎？我國的mRNA疫苗就要上市啦[1]！”山羊博士的脖子伸了老長，深怕蹦蹦熊錯過了這個消息。“啊哈，太棒了。不過，不過啥是mRNA疫苗？”山羊博士扶了扶眼鏡，顯然并沒有急著回答蹦蹦熊的問題，而是將眼睛瞇成了一條縫，靜靜思考了片刻，又漸漸露出笑容：“你想不想來一場探險？”“好啊！咱們快走吧，不過你還沒告訴我那個什么疫苗的事情……”“路上你就會明白的。”

“我本來還想帶些東西吃的……”蹦蹦熊小聲嘟囔著。對于蹦蹦熊來說，這一切似乎還沒來得及反應，就已經坐上了山羊博士的時空穿梭機，向著他不知名的地方出發了。

1 生物反應器——與細菌相遇

這場探險的第一站看起來光線微弱。“這是哪兒啊？”蹦蹦熊盯著眼前一望無際的黑乎乎的東西，高聲叫起來。“別怕，我們在mRNA的生物反應器里。”山羊博士聲音平靜，嘴角似乎在微微上揚。看到蹦蹦熊久久沒有回過神來，山羊博士打破了沉寂：“是的，我們在生物反應器里，在我們面前游走的，正是細菌。”

“可是……”

“新型冠狀病毒SARS-CoV-2通過它表面的叫作刺突蛋白(spike protein)的蛋白質和它入侵的細胞上的蛋白質——血管緊張素轉換酶2 (ACE 2)結合，結合后的刺突蛋白會促進病毒與細胞膜的融合[2]，然后病毒里面的RNA就能進入我們的體細胞。所以說那RNA可怕極了！會把我們的細胞變成它發動戰爭的兵工廠啊！”

“那刺突蛋白就是打開細胞大門的鑰匙，血管緊張素轉換酶2正是這把鑰匙的鎖嘍。”

“沒錯！”

“我們得阻止它進入體細胞！”

“DNA是遺傳信息的載體，而DNA能夠轉錄產生mRNA，mRNA又能翻譯合成生物體需要的蛋白質。mRNA能夠作為疫苗使用，也正是因為這一點。mRNA被運輸到我們的身體后，能翻譯出病毒的全長刺突蛋白或者刺突蛋白上與ACE 2結合的區域[2]，這些翻譯產生的蛋白質被身體免疫識別，也就為免疫細胞軍團指明了進攻目標，摧毀那‘鑰匙’，抵抗病毒的入侵啦。”山羊博士認真解釋著。

“不過這反應器里咋都是細菌啊？”

“因為這mRNA正是由細菌中人工構建的環狀DNA轉錄產生呀[3]，這樣便可以實現快速、低成本生產，一個5 L的反應器能在一次反應中產生約100萬劑mRNA疫苗[2]。同時，快速的生產方式也使得mRNA疫苗具有了更高的靈活性，如果病毒發生突變，只要確定其基因組序列，便可設計出相應mRNA并快速生產[4]。”

蹦蹦熊呆住了，最初的恐懼漸漸變成了激動，他面前黑乎乎的家伙們，似乎正在忙著完成一項偉大的事業——為全世界的人生產疫苗！

“合成好的mRNA經過處理純化就可以進行封裝了。”山羊博士瞅著蹦蹦熊傻傻的樣子發笑，話音未落，兩人便已到達探險旅途的第二站。

2 T型連接裝置——被脂質包圍

“這兒的味道，像酸梅湯！嗯……不對，應該是醋，這可比酸梅湯酸多了。”蹦蹦熊想著想著，竟流出些口水來。山羊博士的胡子微微抖了抖，隨后他清了清嗓子，“喂，蹦蹦熊，你知道嗎？我們現在是在mRNA酸性溶液里，一會兒這些mRNA就要被封裝在脂質納米顆粒里面了。”

“封裝？顆粒？”蹦蹦熊回過神兒來。

“是啊，mRNA分子量不算小，還帶著負電荷，不能輕輕松松穿過咱細胞膜的脂雙層。而且，mRNA直接暴露在外面，不僅自身會快速水解，還會被免疫系統的細胞給分解掉……[2]”山羊博士嘴里絮絮叨叨。

“那該怎么辦呀？我還以為造出來那mRNA，這疫苗就算成了呢！”

“所以就得用脂質把它們封裝起來呀。那顆粒，叫做脂質納米顆粒(liquid nanoparticles，LNPs)，它可給mRNA的遞送提供了諸多便利。”

“山羊博士！山羊博士！你說的那脂質就要過來了！”蹦蹦熊又被眼前的景象震撼到了，手忙腳亂地躲到山羊博士身后。只見脂質液體滔天巨浪一般鋪天蓋地涌來，它們快速地把mRNA包圍起來，形成一個個不大不小的顆粒。

山羊博士注視了許久，莊重地挺直腰板，雙手背在身后，仿佛是在欣賞一場盛大的表演。不過也是，那mRNA和脂質旋轉著，融合著，倒還真像是一群難分難舍的舞者，舉行著期待已久的舞會。

一切都平靜下來后，山羊博士才回過頭來，“脂質納米顆粒是通過有機溶液和水溶液混合得到的。脂質溶解在乙醇中，mRNA溶解在pH為4的酸性緩沖液中。兩種溶液一混合，不但會使質子化的脂質和mRNA產生靜電吸引，還會導致脂質由于在水里面難以溶解而自發通過疏水作用相互結合[5]。這就把那mRNA封裝在里面了。”

山羊博士好像驟然精神了許多，在他的雙眸中，蹦蹦熊似乎看到了熱愛、執著和其他什么難以理解的東西，“這脂質納米顆粒里面包含了四種脂質，脂質柔韌性好，可以被生物體降解，還可以借助生物過程發揮作用。用它作載體，優勢可大了[6]。”

“四種脂質？”

“沒錯，是磷脂、膽固醇、PEG (polyethylene glycol)-脂質和可電離脂質。前三種有助于穩定脂質納米顆粒的結構。具體說來，磷脂如DSPC (1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholine)有助于形成穩定的雙層結構；膽固醇填充顆粒中的間隙，促進膜融合[5]；聚乙二醇(PEG)脂質能延長顆粒在體內循環系統中的循環時間[7]，在疫苗的制造、運輸、儲存過程中穩定脂質納米顆粒防止聚集，并且在疫苗注射后迅速解離離開LNP[8]。可電離脂質則最為關鍵，酸性條件下帶正電，生理條件下變中性，使之對身體的毒性下降[9]。可電離脂質與mRNA配制成納米顆粒，能與帶負電的mRNA產生靜電吸引，同時使納米顆粒帶正電；在細胞內體的酸性環境中，它又帶上了正電荷，促進了脂質與內體膜的融合，有助于mRNA的釋放[2]。”

“細胞的內體又是怎么一回事呢？”蹦蹦熊試圖理解那些關于脂質的一切。四種神奇的脂質像剛剛包裹mRNA一樣纏繞在他的腦海里，揮之不去。

“這個啊，是細胞吞噬脂質納米顆粒時產生的一種囊泡結構。”

蹦蹦熊聽得云里霧里，“所以只要這樣，疫苗就算合成了嗎？”

“哪里有這么輕松，還有細胞靶向這事兒呢！這納米顆粒經過優化和進一步修飾，就能讓它們更快地前往目標細胞啦。比如可以調整四種脂質的比例，還可以在表面包一層抗體(圖1)……[7]”

圖1 mRNA疫苗的合成過程

“mRNA好像餃子餡兒，外面的脂質好像餃子皮兒，那用來靶向的抗體嘛，是辛勤的快遞員，去送熱騰騰的餃子……”蹦蹦熊心里想著，早已出了神。

3 冷鏈運輸——mRNA遞送的故事

“我感覺好困啊。”蹦蹦熊揉揉眼睛。

“因為我們現在跟著疫苗一起被冷藏啦，你可不要睡著啊。”

“啊？冷藏？”蹦蹦熊猛然清醒了大半。

“沒錯，mRNA不穩定，很容易被快速水解，必須在低溫下存放。”山羊博士說著遞給蹦蹦熊一件冬衣，“那我給你講故事聽，怎么樣？”

“好啊！我絕對不會睡著的！”

蹦蹦熊和山羊博士找了一個納米顆粒背靠背坐下，山羊博士便將mRNA疫苗曾經的故事輕輕道來：

“脂質水溶性差，在水溶液中能夠自發地包裹形成球狀結構——脂質體。早在1978年，科學家們便使用了這樣的球狀結構，把mRNA送到小鼠和人類細胞中，以誘導蛋白質表達。脂質體起到了與脂質納米顆粒相似的作用——包裝和保護mRNA。而在1984年，Krieg等人成功使用取自病毒的一種RNA合成酶和其他工具產生具有生物活性的mRNA，他們當時都沒有想到這項技術可以被用于疫苗生產。1987年，Robert Malone里程碑式地將脂質與mRNA混合，發現mRNA被人細胞吸收并表達[9]。”

“mRNA疫苗就算是研究成功了嗎？”蹦蹦熊凝視著眼前懸浮著的一個又一個顆粒。在冷藏室的燈光映襯下，它們閃耀著光輝。近處的像茫茫宇宙中的一顆顆神秘星球，稍遠處的像正月十五的芝麻餡兒元宵，遠處的像一粒粒圓圓的甜甜的夾心硬糖。

“這只是開端！在那之后，大家都覺得mRNA不穩定，又貴，不能當疫苗用。直到多年后誕生了mRNA修飾和脂質納米顆粒相關技術[9]。”

“mRNA還得修飾？”

“是的，在Karikó和Weissman的實驗中，由于對mRNA的免疫識別，實驗中的小鼠產生了嚴重的炎癥反應[9]。這告訴我們，制造疫苗，必須幫助mRNA逃過免疫識別。這一方面需要脂質納米顆粒作為保護mRNA的屏障，另一方面也更需要對mRNA的序列做文章。”

“要躲過識別，就得給mRNA再穿上一層‘隱身衣’嘍？”蹦蹦熊幻想著。

“在2005年，Karikó和Weissman的研究成果表明，尿苷酸類似物能夠阻止免疫識別[9]，成為mRNA疫苗研究歷史上的重要進步。”山羊博士的手指在空中慢慢比劃著，像是正把遠方閃爍的顆粒連成一道道線，形成mRNA的形狀，“合成的mRNA模擬了生物體內mRNA的結構，有5個部分：5’帽、5’非編碼區、編碼抗原的區段、3’非編碼區、多聚腺苷酸尾(圖2)。”

圖2 mRNA鏈的結構

“原來mRNA長得像蟲子啊，還有頭有尾的。”

“可別小瞧這條‘蟲’，一方面，5’帽上的修飾能夠阻止細胞的免疫識別，同時在空間上，5’帽的存在保護了mRNA不容易被水解；另一方面，mRNA由核苷酸組成，因為生物體中的mRNA包含著修飾的核苷，所以要騙過細胞，mRNA也得包含著修飾過的核苷，比如假尿苷、N1-甲基假尿苷等核苷類似物[2]。正是這樣的層層保護，才能防止mRNA的翻譯被阻斷啊……”

“在21世紀初，T型連接裝置的發明使得脂質納米顆粒的制造更加方便，為疫苗生產做出了重要貢獻[9]。正是科學工作者十幾年來的研究積淀，使得2020年輝瑞-BioNTech疫苗能夠快速問世。”

蹦蹦熊靠著山羊博士漸漸睡著了，口水也不聽話地流了出來。他呀，準是夢到什么好吃的啦！

4 歸程——mRNA疫苗的應用與未來

不知過了多久，蹦蹦熊被山羊博士晃醒了，“快醒醒，蹦蹦熊，我們該回去啦。”

“這是哪里啊？”蹦蹦熊吃驚地發現他們周圍早已不再是冷藏的顆粒，而是一座巨大的場館，里面燈火通明，還有許許多多身穿防護服的人員。

“這里不久會進行疫苗的接種工作，這里便是我們旅程的終點了。”山羊博士感慨地觀望著場館中的一切，“走吧，蹦蹦熊，是時候離開了。”

穿梭機中，時間仿佛變得慢下來，疫苗研發、生產再到送往全世界接種的整個過程在兩人身旁閃現而過。“蹦蹦熊，你知道嗎？正是由于mRNA疫苗的種種優勢，使其能夠同時在應對病毒傳染病和腫瘤治療中受到重視。在病毒傳染病方面，現已在新冠病毒mRNA疫苗、寨卡病毒mRNA疫苗、流感病毒mRNA疫苗和其他病毒mRNA疫苗，如巨細胞病毒、呼吸道合胞病毒、狂犬病毒、基孔肯雅病毒、埃博拉病毒和HIV等mRNA疫苗等取得重要進展[10]。在腫瘤疫苗方面，雖然由于腫瘤抗原的高度多樣性和較低的免疫反應，將mRNA腫瘤疫苗應用于臨床還存在困難，但其仍然具有良好的研究前景[11]。mRNA疫苗的研究工作正在持續推進……”

這一次蹦蹦熊沒有再睡著，而是認真聽著，生怕漏掉一個字。