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2020新冠疫苗中美大比拼:胜负已分(上)

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引言

半年前我写过一文《 》。现在可以下结论了,这场比拼的胜负已出。

在5月份的时候我在文中写道,世界上共有8个疫苗项目进入了临床试验阶段,其中中国4个,美国3个,英国1个。经过漫长的等待,美国两个高精尖mRNA平台的结果都已揭晓,辉瑞和德国BioNTech合作的产品,以及Moderna和美国政府合作的疫苗,在参与试验的3 - 4万志愿者中,分别达到了90% ~ 95%的有效率;英国的独苗,牛津/阿斯利康的黑猩猩腺病毒体系也刚刚在上万人的试验中传来了70%有效率的不错消息,而且据说如果优化剂量的话还有继续提升的空间。

中国方面,最早出来的那个中国军科院的传统腺病毒疫苗,目前没有最新的结果。但是牛津/阿斯利康的成功,对陈薇院士的项目也是一个好消息,这至少证明了以腺病毒载体为平台的DNA疫苗也是可以的。不过,我们有理由怀疑中国军科院的DNA疫苗效果可能比牛津的还要差一些。因为中国采用的载体是传统人类腺病毒Ad5,很可能在相当比例的人群中被免疫抑制,效果打了折扣。而牛津改进型载体体系ChAd63是来自黑猩猩,被人体天然阻击的可能性小很多。

中国的第二个是北京科兴生物SINOVAC,在辉瑞/BioNTech大张旗鼓宣布90%有效率之后的一个星期,他们静悄悄地在《柳叶刀》上发表了减活疫苗的二期临床的结果,人数700人左右,没有感染保护性数据,但是血检证明绝大部分受试者产生了保护性抗体,这说明该疫苗很有可能具有一定的防感染效果,虽然保护性抗体的滴度低于美国两个mRNA平台...

mRNA, DNA和蛋白的故事

为了搞懂DNA,RNA疫苗和蛋白质的关系,请先看看下面一个凄美感人的小故事(有点长但挺抓人挺应景):

从前,有个mRNA,觉得自己很孤单,就拉个核糖体过来翻译个蛋白给自己作伴。

翻译好之后对蛋白说:"你好,我是你的模板。"

蛋白说:"你好,我是RNA分解酶。"

mRNA沉默了一下,说:"没关系,反正我本来也活不了多久,你就陪陪我吧。"

蛋白说:"好"。

于是两个人就手拉手默默地站在一起。

过了一会儿蛋白忽然说:"其实我现在还不是RNA水解酶。"

mRNA:"嗯。"

蛋白:"我现在只是多肽。"

mRNA笑了。

蛋白:"可是我很快就会变成真的RNA水解酶了。"

mRNA:"没有关系。我总是要死的。"

于是蛋白依旧和mRNA靠在一起,他慢慢地转圈,折叠,开始修饰自己。他越来越像真的RNA水解酶,而mRNA慢慢地开始降解。

蛋白说:"我走吧,离开了我你也许能活得久一些呢。"

mRNA说:"你别走。我有些话要和你说。"

mRNA说:“你知道么,我也有过一个模板,他叫DNA。”

蛋白说:"他现在在哪里呢?"

mRNA说:"他的启动子关闭了。他睡着了。"

蛋白问:"是谁把他的启动子关掉的呢?他还会醒过来吗?"

mRNA说:"是我把他关掉的”。然后他又笑笑:"但是他还会醒的,我一消失,他就又会醒来了。"

mRNA说:"我记得我刚被转录出来的时候,DNA对我说,你好,我是你的模板。我说你好,我是mRNA。他笑着说很高兴见到你,然后就慢慢睡着了。"

蛋白没有说话。

"我很想念他。",mRNA的声音越来越虚弱,"我马上就要消失了。如果他醒过来,如果你碰到他,请替我再和他说一句你好吧。"

然后mRNA就被降解掉了。

DNA慢慢醒了过来,看到旁边站着一个蛋白正小心翼翼地看着他。

蛋白看DNA醒了,说:"你好,我是RNA水解酶。"

DNA说:"你好,我是DNA。"

蛋白:"你好。"

蛋白:"第二句你好,是mRNA让我对你说的。"

DNA想起来,他上次睡觉之前,转录了一个mRNA,可是就说了一句话,自己就睡着了。

DNA:"mRNA他在哪里?"

蛋白答非所问:"他说他很想念你。"

DNA笑了:"我也很想念他。"

蛋白:"它已经被降解了。"

蛋白:"有时候我却羡慕他。"

DNA:"为什么?"

蛋白看看DNA,说:"因为你在想念他啊。"

蛋白说完,忽然觉得湿湿的。原来是自己哭了。哭着哭着,蛋白就水解了。

DNA终于又转录了一个mRNA。

DNA说:"你好,我是你的模板。"

mRNA说:"你好,我是mRNA。"

DNA仔细地看着mRNA:"你和他,真是一模一样。"

mRNA:"谁?"

DNA:"我上一次转录的mRNA。"

停了停,又说:"你们明明是一样的,为什么我还在想念他呢?"

说完,DNA慢慢合上了眼睛。

如果相遇的尽头注定是错过,是不是,还是做一个内含子好一些呢?

好心塞的故事。可是如果成为内含子,就连相遇的机会都没有了。虽然相遇的尽头是错过,但回忆总是美好的。还是让我成为外显子吧。

转自:生物探索

读了这个故事,你就明白了,mRNA是根本不能做疫苗的。

我认识到这一点,是多年前做生化试验提取RNA这一课,提炼RNA的程序特别麻烦,主要原因是mRNA高度不稳定。比如上面小故事中的那个RNA分解酶(RNase),实验用的水必须是无RNase水,所用的玻璃器皿必须经过高温高压的处理,就是为了灭活附着在固体表面的RNase。RNA水解酶无处不在,哪怕是你手指上皮肤的表面也分泌着RNase,所以说,哪怕是你千小心万小心,如果你不戴套的手指不慎触摸了消毒的器皿,都有可能让你千辛万苦提取的RNA样本被降解于无形,造成整个实验的失败。

所以更不要提把mRNA序列直接注射于人体了,内体环境中丰富的RNase会把外源mRNA消化得无影无踪。

有机化学的基本原理也对RNA药物说不。

我们都知道遗传物质DNA的中文全称叫做“脱氧核糖核酸”,而RNA叫“核糖核酸”。DNA的RNA的一个重要差别,就在于前者的组成单元脱了一个氧,如下图所示:

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RNA DNA

这是一个扭转乾坤的差别,在RNA核苷的糖环的2‘位上引入这么一个氧原子,就仿佛是给一个安定和谐的环境引入了不稳定因素。比如,在偏碱性环境下,RNA糖链上和这个多出来的氧原子偶联的氢原子可能脱掉,暴露出一个带负电荷的赤裸氧离子,然后可能掉过头去攻击构成核酸链条的磷酸酯化学键,造成核酸长链的断裂。这个特性固然加速了核酸的生理代谢,也让它不适合作为遗传信息的稳定储藏基地,所以地球的生命经过了几十亿年的进化,99%都选择了相对惰性的DNA作为遗传物质,只有少量病毒使用RNA作为遗传基因,这里面也包含了新冠病毒

一样的道理,一个高度活泼不稳定的分子不适合做药物或疫苗 。对制药原理稍有了解的人都知道,一个候选药物如果在体内半衰期极短,那么就基本上给他判了死刑了。辉瑞和Moderna的mRNA虽然有超过90%的有效率,但需要负70度的低温长期储存,而牛津的DNA疫苗效果稍差但用普通冰箱即可,原因就在这里。

从DNA到mRNA再到蛋白质生化过程, 被科普作家写成了隽永缠绵的心塞故事,也被生命科学企业家们用来开公司,1976年世界上第一家DNA重组基因工程公司基因泰克在加州硅谷成立,他们使用胰岛素,干扰素,生长素,血凝素的DNA,通过mRNA为中间体,在细菌中生产医用蛋白质去卖,挣了大钱。

仅仅7年之后,基因重组DNA的思想就被引入了疫苗工程,科学家通过病毒作为载体,依赖人体内天然的DNA -> mRNA ->蛋白质的合成路线,让人细胞直接生产病毒蛋白从而刺激免疫记忆力。不过,DNA疫苗的一个危险是源于逆转录病毒的载体有整合进入人体DNA而致癌突变的危险,于是,腺病毒这种没有整合能力的病毒就得到了疫苗专家的青睐,在新冠疫苗领域,除了中国军科院的常见型Ad5, 已有疗效实锤的牛津/阿斯利康的黑猩猩ChAd63,还有美国强生目前正在玩命研发的罕见型Ad26(3期临床已于9月底开张,计划招收6万人),都属于这个谱系。

ChAd63比Ad5更高端,因为黑猩猩DNA载体在人体中被识别并压制的可能性很低;哪怕是强生的Ad26也比Ad5高端,因为前者比后者更罕见,被人体免疫系统识别的可能性更低。但是对DNA的依赖总是一个尾大不掉的负担,于是mRNA的疫苗平台横空出世,它把那个爱打瞌睡的DNA生生地从那个DNA/RNA/蛋白质的凄美三角故事中给除掉了,整个舞台上只有mRNA及其产物,病毒的刺突蛋白两两相依。

这个技术的飞跃,和我上面提到过的RNA三大劣势背道而驰,其概念的颠覆性,大概可以和当年重组DNA技术的发明相提并论。

在这不经意地插一句,我们讨论到现在都是在讲如何把蛋白从无变到有,那么如果要把现存的蛋白质消失有何技术?还真有,最新的技术就获得今年诺贝尔奖的CRSPR技术,我们早有。

说mRNA平台挑战了重组DNA基因工程技术,这也是两大新冠疫苗平台成功后的马后炮。事实上,直接运用mRNA的思路,从一诞生起就遭到质疑和摒弃。

这20年来,发展mRNA治疗平台的先驱人物是宾夕法尼亚大学的Katalin Karikó女士。她为了改进和推广这项原本的冷门技术,饮恨于一次又一次的科学基金的申请,甚至由于科研经费的匮乏而失去了被提拔为正教授的机会。

mRNA为什么如此不让权威买账呢?

我一直认为是重大技术路障的mRNA的稳定性问题,反而倒不是什么大问题了。因为,随着重组DNA技术的发展,核酸在生化环境中的包装和运输技术也日新月异,我在实验室工作的时候,用的最顺手的是一类叫做脂质体的DNA转运技术,这种物质可以非常方便把外源基因包装成小滴,然后和目标细胞膜融合,最终把DNA注射入目的地。类似的方法也可直接用于mRNA包装,起到一石两鸟的作用,既保护了mRNA分子免遭RNase分解,又确保了mRNA准确击中靶细胞。

真正的难点,在于注射的高纯度外源mRNA会激发强烈的免疫激活。所以,专家评审一看,说打了你这个疫苗让人病得比真病毒感染还重,还是算了吧!

这个原因在于人类免疫系统的一个聪明特性,除了病毒的刺突蛋白外,它也可以通过识别病菌RNA和自体破裂细胞释放出来的线粒体RNA, 来清除这些毒素和废料。

只可惜免疫系统无法区别哪一个是有的放矢的疫苗,哪一个是要被扫掉的垃圾。

到了2005年,十年磨一剑的Karikó终于厚积薄发。他们发现体内环境明明自然存在大量RNA分子,却并不刺激免疫应答,而却独独对外源RNA明察秋毫,这是为什么?原来人体内自然存在的RNA都经过特别的化学修饰,这就仿佛在丛林里穿上了迷彩服被掩护了,但是外源RNA却是裸露的,才遭到免疫系统的猛烈扫射。

解决的办法就是mRNA疫苗在合成注射前要进行化学修饰。

这个重大发现扫平了mRNA从假想进入应用的最后一个障碍。

这篇文章发出来之后没有得到大众的关注,但是却惊动了美国和德国的两票人,他们分别成为美国Moderna和德国BioNTech的创始人,他们都引进了Karikó教授的mRNA修饰合成技术的专利。Moderna的发起人认为Karikó日后当因mRNA技术而荣膺诺贝尔奖,BioNTech的老总干脆直接把Karikó聘为资深副总裁了。

2017年,Moderna针对流感病毒设计的mRNA注射了23个人,成为世界首个mRNA疫苗的人体实验。数据有喜有忧,喜的是在所有的受试者体内都测到了中和抗体,忧的是反应幅度似不如在动物实验中那般强劲,所以大家的激动情绪似乎有所降温...

剩下的就是历史了,2020突如其来的大流行,不给Moderna,BioNTech和辉瑞这些先驱者以改进和喘息的机会,他们匆匆上马加班加点埋头苦干,这才有了美国大选一个星期之后,辉瑞CEO疑似眼含泪水地在电视上宣布这个90%的有效率。

美国在mRNA平台上的丰收是水到渠成的,让我们看一看mRNA疫苗历史上的几个里程碑都是谁做的:

上世纪90年代,世界首次在靠注射mRNA在动物体内合成外源蛋白,完成单位分别是美国威斯康星大学和加州的Scripps研究所;

通过RNA修饰控制外源mRNA诱发的体内免疫应答,作者美国宾夕法尼亚大学;

世界首例mRNA疫苗的人体试验,由美国Moderna完成。

同时,看一看这一系列不凡成就背后英雄人物的国籍,也不禁发人深省:

辉瑞的CEO是希腊人;

辉瑞的合作伙伴 BioNTech是土耳其人在德国成立的公司,分公司在波士顿;

Moderna的CEO是法国人;

美国政府的疫苗研发总协调人Dr. Moncef Slaoui是非洲人;

为mRNA疫苗理论奠定基础宾大Karikó教授,是匈牙利人;

首次活体注射mRNA和首次发明运用RNA修饰来改造RNA疫苗的关键性发明背后,自然不乏华人研究员的身影...

所以说,美国在新冠疫苗上的胜出,全在其雄厚的基础研究实力;而在这个实力的背后,是因为美国汇聚了全球的菁英人才,从事最高端的科学研发和创业;而这个对人才的吸引力又在哪里呢,是美国文化上的包容和开放,政治制度上的稳定和开明...

当然,科技领先只是美国在新冠疫苗研发上先拔头筹的原因之一,而另外一个原因,就未免有些苦涩了,且听下回分解。

END

(图片来自网络)

参考资料:

https://www.reuters.com/article/health-coronavirus-brazil-sinovac/update-2-brazil-has-enough-infection-data-to-analyze-sinovacs-covid-19-vaccine-officials-idUSL1N2I91LX

https://www.genome.gov/25520305/online-education-kit-1976-first-genetic-engineering-company#:~:text=The%20first%20genetic%20engineering%20company,human%20protein%20in%20a%20bacterium .

https://www.nature.com/articles/nrd.2017.243

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16111635/

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