- 蔣維倫 / 泛科學 PanSci 專欄作家、故事專欄作家、udn 鳴人堂專欄作家、前國衛院衛生福利政策研究學者。喜歡虎斑、橘子、白底虎斑和三花貓。
1990 年,科學家首次將 mRNA 注入小鼠肌肉中,發現肌肉細胞成功地將 mRNA 轉錄為有功能的蛋白質;但由於人體的免疫機制,外來 RNA 很快地被排除,更可能引起劇烈的發炎反應。卡林柯(Katalin Karikó)的研究團隊發現,特定核苷酸修飾能降低免疫細胞的活化程度,若人工合成的 mRNA 上帶有足量的核苷酸修飾,就能讓細胞不排斥外來 mRNA,細胞便會乖乖地照著 mRNA,做出我們心中的蛋白質。
去(2020)年末,當 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)流行近週年時,由輝瑞(Pfizer)、莫德納(Moderna)研發出的 mRNA 疫苗橫空出世,其保護力令人驚艷。然而,mRNA 疫苗的緣起,要從 30 幾年前,一名女科學家的故事開始講起……。
過於脆弱的 mRNA,被科研拋棄的孤兒
試想,若能控制蛋白質,我們就能治癒很多疾病,如教白血球認識腫瘤抗原,便能殺滅腫瘤細胞、治癒癌症,像是黑色素瘤;又或是讓身體自行產生正常蛋白質,就可以取代缺陷蛋白、治癒遺傳疾病,例如 B 型血友病。
但人體是個討厭外來物的組織,若是直接注射蛋白質到體內,可能會引起發炎反應。而在藥廠裡,想要完美模仿細胞,生產、純化複雜且分子量巨大的蛋白質,卻又過於昂貴、困難,這該怎麼辦呢?嗯,我們可以試試教細胞自己做蛋白質啊!
細胞就像中央廚房,遵守著 DNA 主廚的指令,主廚(DNA)寫出食譜(mRNA),再由細胞廚房依食譜烹調出料理(蛋白質),由也就是「DNA→mRNA→蛋白質」的流程,此流程稱為中心法則(central dogma)。舉例來說,COVID-19 疫苗的原理是讓人體內出現病毒蛋白,因此科學家可採取兩種方式,分別是:
- 讓人工 DNA 進入細胞,例如腺病毒(Adenoviridae)載體技術(牛津疫苗等)。
- 讓人工 mRNA 進入細胞,例如 mRNA 疫苗(輝瑞疫苗等)。
mRNA 療法最初的曙光出現在 1990 年,當時科學家首次將全裸、無任何保護的 mRNA 注入小鼠肌肉中。他們並發現,小鼠的肌肉細胞能成功將 mRNA 轉譯(translation)為有功能的蛋白質,並持續了生產 18 個小時。然而,科學家也很快認清事實:mRNA 療法雖然理論上可行,但實際實行上卻有著巨大的阻礙。如同前面提到的「人體是個厭惡外來物的組織」,它討厭外來的蛋白質──也討厭外來的 mRNA。
由於人體不希望細菌或病毒侵入體內,所以身體具備多種優秀的系統,能夠隨時隨地排除外來的 RNA。像是在細胞外有豐富的核糖核酸酶(RNAse)可以分解 RNA;更糟的是,細胞的類鐸受體(Toll-like receptors, TLRs)系統,能偵測可疑的 RNA,辨認出這個可疑的 RNA 屬於外來基因,因此判定細胞正被病毒感染,於是便關閉這些 RNA 的轉譯作用,更會引起劇烈的發炎反應。人體天然的防禦系統,對 mRNA 療法而言,不僅導致轉譯效益低下,更可能對病人的健康造成傷害。
幾近完美的人體免疫系統,讓 mRNA 療法被打入冷宮、沉寂多年,直到一名女科學家出現。
降職、罹癌,依舊沒有放棄的女科學家—卡林柯
1985 年,當時 30 歲的匈牙利科學家卡林柯(Katalin Karikó),帶著丈夫與 2 歲的女兒,以及縫著 1200 元美金的泰迪熊,飛往美國展開研究職涯。卡林柯深信 mRNA 療法的可行性,持續地申請 mRNA 療法計畫的研究經費。然而當時學界普遍認為 RNA 過於脆弱,且它誘發的發炎反應過於強烈,不可能會有希望,因此她的計畫一再地被高層否決。在缺乏資金和研究成果的情況下,卡林柯在 1995 年被大學降職,同時間她被診斷出罹患癌症;而丈夫也因為簽證的關係必須滯留海外,只能和她相隔千里。在健康、職場、家庭遭遇到的三重打擊,考驗著卡林柯對 mRNA 療法的信心。
她回憶起當時的想法:「我想,也許我還不夠聰明、不夠好。我試著這麼告訴自己:每件事都已經到位了,我只需要做出更出色的實驗就可以了!」而在三年後,因為共用一台影印機,卡林柯認識了研究 HIV 疫苗的同事魏斯曼(Drew Weissman),兩人一同埋頭研究著 mRNA 療法。直到 2005 年,研究終於露出重大突破──他們找到不會引起發炎反應的 RNA 了!
不會引起發炎反應的關鍵結構?
科學家很早就發現,核苷酸(DNA 或 RNA)會活化免疫系統,引起發炎反應,但令人困惑的是,動物細胞裡也有豐富的核苷酸,為什麼不會活化免疫細胞呢?以 DNA 來說,直到上個世紀末,人類才發現原來 DNA 的序列和微結構,會觸發特定的細胞訊號,例如 DNA 的 CpG 序列裡,較少的甲基化(methylation)修飾,會活化免疫細胞的第九型類鐸受體〔註一〕,研究者推測這可能是因為細胞認為此特徵符合原核生物的 DNA,因此會啟動發炎反應、排除入侵者。根據此概念,團隊展開了精彩的思辨和實驗設計,他們假設:「既然 DNA 如此,那麼 RNA 的免疫反應,會不會也受核苷酸的亞型(A、U、G、C 以外的核苷酸)與微結構影響呢?」
他們回顧文獻時,發現在科學家已知的 RNA 裡,核苷酸的亞型與被修飾(如甲基化)的比例,似乎隨著生物演化而逐漸不同。以核醣體 RNA(rRNA)為例,哺乳動物 rRNA 裡的偽尿苷(pseudouridine, Ψ)比例是細菌 rRNA 的 10 倍;而轉移 RNA(tRNA,負責攜帶胺基酸、辨認 mRNA 的零件)在哺乳細胞有高達 25% 的核苷酸被修飾,比例遠高於原核生物;相較於毫無修飾的細菌 mRNA,哺乳動物mRNA 的 5’ 端帽(5′ cap)修飾,則有形形色色的核苷酸亞型,像是 m5C(5-methylcytidine)與 m6A(N6-methyladenosine)等。細菌和動物 RNA 微結構的差異,也讓卡林柯團隊能試圖釐清 RNA 亞型和免疫反應之間的關係〔註二〕。
向細胞學習,天然的免疫逃避
科學家分離出細胞內不同的 RNA,分別為 rRNA、mRNA、tRNA、粒線體 RNA等,餵給免疫細胞如樹突細胞(dendritic cell),並觀察不同的 RNA 是否會引起不同程度的發炎反應。結果發現,哺乳細胞的 rRNA、mRNA 會誘發些微的發炎相關因子(TNF-α);粒線體 RNA 會引起劇烈的發炎反應〔註三〕;而核苷酸修飾比例最高的 tRNA,則幾乎不會活化免疫細胞。
為了確認何種核苷酸的修飾,能避免活化免疫細胞,科學家合成了多種 RNA,其中的核苷酸分別由偽尿苷、m5C、m6A 等取代,再將眾多人工 RNA 和人體的樹突細胞混合。結果顯示,特定的核苷酸修飾,如偽尿苷等,能降低免疫細胞的活化程度。也就是說,若要打造出不會引起人體發炎反應的 mRNA 療法,關鍵就在於讓人工合成的 mRNA,有足量的修飾核苷酸,讓細胞受器誤以為這是「自己人」,然後細胞就會乖乖地照著 mRNA、做出我們心中的蛋白質了!
隨後,卡林柯團隊將帶有核苷酸修飾的螢光蛋白 mRNA,注入小鼠靜脈。他發現,若注射的是有核苷酸修飾的人工 mRNA,小鼠體內的發炎因子都遠低於無修飾的組別;更重要的是,在動物脾臟裡檢測出高量的螢光蛋白及更穩定存在的 mRNA。動物實驗的結果同樣顯示,核苷酸修飾 mRNA 技術,能有效降低發炎反應、大幅提高轉譯效率和穩定性的優勢。
此刻開始,卡林柯真的做到了她當年心中所想的「更出色的實驗」!即使在人生低潮時,她也沒有放棄的 mRNA 療法,逐步向治療癌症、罕病的目標挑戰。而他們做出的研究結果更在數十年後,一躍成為拯救世界、終止 COVID-19 疫情的 mRNA 疫苗。
從實驗可行到正規醫療手段
卡林柯與魏斯曼的研究,幫 mRNA 療法開啟了綠燈,也吸引了更多科學家,持續地最佳化 mRNA 療法,如:
- 提升轉譯效率
最佳化 mRNA 的 5’ 端帽(5′ cap)、5’-和 3’-非轉譯區(untranslated region, UTR)、多聚腺苷酸尾(poly-A tail)等部位,並增強 mRNA 在細胞內的穩定性和轉譯效率。像是在 5’ 端帽模仿真核生物的 m7GpppN〔註四〕結構,或開發新的微結構;在特定療法設定最佳的多聚腺苷酸尾鹼基長度等。這些技巧讓 mRNA 在細胞內能存活更長的時間,產出更大量的蛋白質,使得在臨床現場中,需要的 mRNA 量更少,大幅地增加了未來 mRNA 療法成為正規醫療的可行性。
- 最佳化載體
儘管病毒載體,例如慢病毒(lentivirus)也能投遞 mRNA,但白血球對病毒外殼的免疫反應,仍令人卻步。而早期的投遞技術通常使用正電脂質吸附與保護 mRNA,但它的肝臟毒性使它逐漸被棄用。目前研究單位逐漸轉向改用 pH 敏感性脂質,在中性的生理環境下可保持電中性、降低毒性;當 pH 敏感性脂質被細胞吞噬,進入溶體(lysosome)後,會因 pH 值降低而重新帶電,進而逃脫溶體。
而在 COVID-19 疫苗開發中,從 mRNA 療法延伸出的 mRNA 疫苗更展現了其他技術無可取代的優異性:
- 開發/改良速度
和腺病毒載體類型疫苗,如牛津疫苗比較起來,mRNA 疫苗無須進行細胞培養和純化病毒,整體更快速、安全;而和蛋白質類型疫苗,如 Novavax、高端疫苗比較,mRNA 疫苗能直接讓細胞產出病毒棘蛋白,不需要煩惱蛋白質在剪接(splicing)、摺疊(folding)、醣化(glycation)等轉譯後的修飾,生產上更加迅速。從病毒基因序列公布的那天算起,莫德納僅花了 25 天就完成了疫苗。而面對各地的變異株病毒,輝瑞疫苗表示僅需 6 週,就能完成針對變異株病毒改版的新劑型。mRNA 療法的驚人開發速度展露無疑。
- 安全性
mRNA 在人體內分解速度快,安全性高,由於未採用 DNA,能減輕民眾對於疫苗是否會插入人體基因的疑慮。
- 接近自然感染
和蛋白質類型疫苗比較,mRNA 疫苗更接近病毒自然感染細胞的過程,讓細胞表面布滿病毒棘蛋白,能有效刺激細胞免疫(cellular immunity)反應。
從卡林柯飛往美國那天開始,她已經在 mRNA 療法領域耕耘數十年。誰也沒想到,她當初的堅持與科學界的棄兒,至今已成了拯救世界、終結大規模傳染病的關鍵技術,未來更可能戰勝癌症、克服罕病。現在不少人都認為她的卓越表現,應得到諾貝爾獎的肯定。你認為呢?
〔註一〕被免疫系統判定疑似細菌 DNA 的 CpG 序列,由於它可以引起發炎反應,所以反倒在疫苗領域被作為佐劑使用。如國產高端疫苗,其佐劑就是使用 CpG 序列。
〔註二〕有趣的是,許多病毒(如流感、腺病毒、單純皰疹等)的 RNA 也有大量的修飾。這此現象暗示這些病毒和人類共存極久,可能從我們的細胞偷學了這招,以更好地模仿宿主特徵,騙過我們的免疫系統。
〔註三〕粒線體是古代細菌殘留在我們體內的痕跡。
〔註四〕在真核生物 mRNA 鏈第 1 個鹼基的前方,尚有個以 3 個磷酸聯結的鹼基(G),被稱為 5’ 端帽。若缺乏此修飾,mRNA 在細胞內會快速被降解。
延伸閱讀
- Katalin Karikó et al., Suppression of RNA Recognition by Toll-like Receptors: The Impact of Nucleoside Modification and the Evolutionary Origin of RNA, Immunity, Vol. 23(2): 165–175, 2005.
- Ugur Sahin et al., mRNA-based therapeutics — developing a new class of drugs, Nature Reviews Drug Discovery, Vol. 13: 759–780, 2014.
- Katalin Karikó et al., Incorporation of Pseudouridine Into mRNA Yields Superior Nonimmunogenic Vector With Increased Translational Capacity and Biological Stability, Molecular Therapy, Vol. 16(11): 1833-1840, 2008.
〈本文選自《科學月刊》2021 年 5 月號〉
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