拯救世界的 mRNA 疫苗——疫苗科學的里程碑（四）

科學終會勝利。Science will win.

冠狀病毒帶來的瘟疫是威脅，也是契機。疫苗科學的第五個里程碑，是一場正在進行式的世紀大瘟疫。疫情的突然襲來，讓某位女科學家的研究，一夜之間成了拯救人類的英雄。

1995 年，卡林柯 (Katalin Karikó) 教授跌落人生至黯時刻。降職、確診癌症，丈夫更因簽證滯留海外、相隔千里。25 年後，爆發了新冠肺炎瘟疫，她鑽研了數十年的 mRNA 疫苗橫空出世，實驗室直接跨入人間、拯救世界，成了扭轉疫情的英雄。

疫苗史最近的一次轉捩點，就是新冠病毒疾病／COVID-19 的核酸類型 (mRNA, DNA) 疫苗。在瘟疫爆發不到一年的時間裡，核酸疫苗快速研發、試驗、上市，前所未有的光速，堪稱科學上的奇蹟。其中又由以 mRNA 疫苗的身世最為曲折離奇、充滿轉折。

mRNA 療法的初現與墜落

上世紀的六、七十年代，「DNA→mRNA→蛋白質」的邏輯逐漸清晰後，人類開始嘗試將 DNA 或 mRNA 塞進細胞，讓人體做出目標蛋白質，冀望藉此治療疾病，如：缺乏正常蛋白質等罕見疾病（例：B 型血友病）。

1990 年，科學家將全裸、無保護的 mRNA 注入小鼠肌肉，發現此外來 mRNA 被細胞轉譯 (translation) 為蛋白質 ^[1]，這個成果激發了無限的想像。1993 年，人類首次將流感病毒蛋白 mRNA 注入動物體內，誘發出能辨認該蛋白的 T 細胞，打響了 mRNA 疫苗的第一槍 ^{[2, 3]}。

但科學家發現，mRNA 療法理論上可行，但在真實世界卻遭遇巨大障礙－人體非常討厭外來物。不是只有科學家想劫持人體細胞，更有許多邪惡的生物想綁架細胞，如：流感病毒等，也會將自己的病毒 RNA 塞進細胞，遙控細胞做自己不喜歡做的事。

因此人體有許多防禦系統，會摧毀外來的 RNA。除了組織間有酵素會分解 mRNA，而細胞的類鐸受體 (Toll-like receptors／TLRs) 系統，能偵測可疑的 RNA、停止它們轉譯成蛋白質，更糟的是會誘發劇烈發炎反應 ^{[4, 5]}。牢不可破的防禦系統，讓所有的科學家都放棄 mRNA 療法。除了一位來自匈牙利的女科學家。

卡林柯帶領團隊突破 mRNA 技術瓶頸

1990 年，來到美國五年的卡塔林‧卡林柯 (Katalin Karikó)，向任職的賓州大學提交 mRNA 療法的研究計畫。儘管深信 mRNA 的潛力，但它過於脆弱、引致發炎的特性，讓她的計畫一再地被管理層否決。在缺乏突破的情況下，1995 年，她被大學降職、確診癌症，丈夫又因簽證滯留歐洲，接連不斷的挫折打擊著她和 mRNA 療法的未來。

即使是沉重的人生低潮，卡林柯未因此放棄 mRNA（幸好如此）。數年後，她遇到志同道合的科學家－德魯·魏斯曼 (Drew Weissman)，兩人持續地鑽研一個難題：外來的核酸 (DNA, RNA) 會引起免疫反應，但奇怪的是，細胞自己也有 RNA，為什麼不會引起發炎反應呢？

2005 年，研究團隊分離細胞內的 tRNA、mRNA、rRNA 等，分別測試它們誘發免疫反應的能力，結果發現 tRNA，幾乎不會活化免疫細胞 ^[4]。而過往的研究已發現，DNA 裡的核苷酸，是否被修飾，是決定引起發炎反應的關鍵，如：DNA 的 CpG 序列裡，較少的甲基化修飾，會觸發細胞的發炎反應。

團隊進一步分析發現，tRNA 裡的核苷酸，高達 25% 的核苷酸被修飾。也因此說明了一種可能，細胞透過檢視 RNA 裡修飾的型式、比例，藉此判斷是否為自己的 RNA ^[4]。換言之，外來的 mRNA 只要有足量和正確的核苷酸修飾，就能欺騙細胞，對細胞為所欲為！三年後，團隊將帶有核苷酸修飾的人工螢光蛋白 mRNA，注入小鼠靜脈。結果發現，小鼠體內有高量螢光蛋白、穩定存在的人工 mRNA，更重要的是，有效地降低了動物的發炎反應 ^[6]。

動物實驗支持了卡林柯等人的假設，透過修飾核苷酸，能讓人工 mRNA 穩定、安全地存在於動物體內，並能劫持細胞、讓它生產出人類想要的蛋白質。從此，訓練白血球辨認腫瘤蛋白質、病毒，進而治癒癌症、對抗瘟疫的夢想，有了更安全的道路。

COVID-19 出現前，超前部屬棘蛋白抗原

經過 2002 年 SARS、2012 年 MERS 肆虐後，人類有感在未來，新興傳染病必將越漸頻繁。因此科學家針對冠狀病毒之生活史、蛋白質等細節進行了研究，並發現若想以疫苗對抗冠狀病毒，棘蛋白將是最好的抗原。因為棘蛋白分佈在病毒表面，是抗體最佳的辨認目標；同時棘蛋白辨認細胞表面受器、是侵入細胞的關鍵鑰匙，若能用疫苗誘發高效抗體，使其中和病毒、阻止棘蛋白和受器結合，將能達到避免感染、預防惡化的疫苗目的。

沒想到不過數年之後，科學家的超前佈署居然派上了用場。2019 年底，新型冠狀病毒 (SARS-CoV-2) 從中國爆發、開始橫掃全世界，全人類亟需快速、有效的疫苗來終止瘟疫。

2020 年 1 月初，中國首次分享新型冠狀病毒 (SARS-CoV-2) 的全基因密碼，Moderna、Biontech 等藥廠開始設計和量產。透過以前累積的研究成果，藥廠團隊選定棘蛋白的為疫苗抗原，並依當年研究的建議優化棘蛋白，讓 mRNA 產出的棘蛋白，較天然的棘蛋白更穩定，能更有效地誘發免疫力。

mRNA 劫持細胞產生抗原，活化體內免疫系統

藥廠藉由卡林柯等人的技術，用修飾後的核苷酸製備成 mRNA 等技術，提升 mRNA 的穩定性，並將其包裹在奈米脂質顆粒裡。當疫苗被注射進人體後，樹突細胞 (dendritic cell) 等抗原呈現細胞 (antigen-presenting cell) 會吞噬奈米脂質顆粒。

隨著奈米脂質顆粒崩解、mRNA 釋出。mRNA 便劫持細胞，讓細胞開始產生病毒的棘蛋白。充滿細胞表面和體液的病毒蛋白，使 T 細胞活化，進而開啟整個免疫系統、刺激 B 細胞製造能辨認棘蛋白的抗體，並培養出有長期保護力的記憶型 B、T 細胞（memory B, T cell）。

為什麼 mRNA 疫苗快速又有效？

• 和整顆病毒類型疫苗比較：mRNA 疫苗僅截取單一蛋白質的密碼，因為不含其他病毒訊息，對接種者的安全性極高。
• 和蛋白質類型疫苗比較：mRNA 疫苗無須在藥廠生產病毒蛋白質，省去了蛋白質的純化、定量製程，同時 mRNA 疫苗更接近自然感染（細胞產生病毒蛋白）的形態。
• 和腺病毒載體疫苗比較：mRNA 疫苗無須大量生產腺病毒載體，省去了病毒純化、定量等製程。且腺病毒疫苗之牛津、嬌生疫苗，推測會引發罕見血栓併血小板低下之副作用。而 mRNA 疫苗目前未觀測到此副作用，相對安全。

而 mRNA疫苗更強大的優勢是速度——只需完整的遺傳密碼，就能製造出疫苗。在新型冠狀病毒 (SARS-CoV-2) 密碼釋出後，莫德納 (Moderna) 僅花了 25 天就製備出疫苗；而面對變異株的威脅，輝瑞表示僅需六週，藥廠就能打造出針對變異病毒的新疫苗。mRNA 疫苗的光速製程，在瞬息萬變的新興瘟疫裡站穩巨大的優勢。

卡林柯撐過了人生的低潮，堅持著她對科學的信仰。數十年後，人類仰賴著她當年的突破，不到一年的時間內就製備出超高保護力，且幾乎全年齡、全族群都適用的 mRNA 疫苗。

在 mRNA 疫苗戰勝瘟疫後，相信更多科學家會站在卡林柯教授的肩膀上，開發出對抗癌症、自體免疫疾病等惡疾的 mRNA 療法。人類還不知道 mRNA 疫苗的極限在那裡，但我們何其幸運，站在疫苗史上關鍵的時間點上，見證科學卓越的里程碑。

延伸閱讀

• 在世紀瘟疫中，mRNA疫苗展現了它的力量
• 發揮mRNA疫苗在醫療的潛力
• 新型冠狀病毒疾病/COVID-19疫苗背後的故事

系列文章

• 從那天起，人類開始擁有對抗病毒的武器：疫苗的發明——疫苗科學的里程碑（一）
• 意外不只帶來新發現，也可能引發重大悲劇——疫苗科學的里程碑（二）
• B 肝疫苗及台灣的肝炎聖戰——疫苗科學的里程碑（三）

參考資料

1. JA Wolff, RW Malone, P Williams, W Chong, G Acsadi, A Jani, PL Felgner (1990) Direct gene transfer into mouse muscle in vivo. Science. DOI: 10.1126/science.1690918
2. How COVID unlocked the power of RNA vaccines. Nature. 2021/01/12.
3. Frédéric Martinon  Sivadasan Krishnan  Gerlinde Lenzen  Rémy Magné  Elisabeth Gomard  Jean‐Gérard Guillet  Jean‐Paul Lévy  Pierre Meulien (1993) Induction of virus‐specific cytotoxic T lymphocytes in vivo by liposome‐entrapped mRNA. European Journal of Immunology.
4. Katalin Karikó, Michael Buckstein, Houping Ni, Drew Weissman (2005) Suppression of RNA Recognition by Toll-like Receptors: The Impact of Nucleoside Modification and the Evolutionary Origin of RNA. Immunity.
5. Ugur Sahin, Katalin Karikó & Özlem Türeci (2014) mRNA-based therapeutics — developing a new class of drugs. Nature Reviews Drug Discovery.
6. Katalin Karikó, Hiromi Muramatsu, Frank A Welsh, János Ludwig, Hiroki Kato, Shizuo Akira, Drew Weissman (2008) Incorporation of Pseudouridine Into mRNA Yields Superior Nonimmunogenic Vector With Increased Translational Capacity and Biological Stability. Molecular Therapy.