李森淼，陈建成
南京大学化学化工学院，南京 210023
“嘿，蹦蹦熊。你知道吗？我国的mRNA疫苗就要上市啦[1]！”山羊博士的脖子伸了老长，深怕蹦蹦熊错过了这个消息。“啊哈，太棒了。不过，不过啥是mRNA疫苗？”山羊博士扶了扶眼镜，显然并没有急着回答蹦蹦熊的问题，而是将眼睛眯成了一条缝，静静思考了片刻，又渐渐露出笑容：“你想不想来一场探险？”“好啊！咱们快走吧，不过你还没告诉我那个什么疫苗的事情……”“路上你就会明白的。”
“我本来还想带些东西吃的……”蹦蹦熊小声嘟囔着。对于蹦蹦熊来说，这一切似乎还没来得及反应，就已经坐上了山羊博士的时空穿梭机，向着他不知名的地方出发了。
这场探险的第一站看起来光线微弱。“这是哪儿啊？”蹦蹦熊盯着眼前一望无际的黑乎乎的东西，高声叫起来。“别怕，我们在mRNA的生物反应器里。”山羊博士声音平静，嘴角似乎在微微上扬。看到蹦蹦熊久久没有回过神来，山羊博士打破了沉寂：“是的，我们在生物反应器里，在我们面前游走的，正是细菌。”
“可是……”
“新型冠状病毒SARS-CoV-2通过它表面的叫作刺突蛋白(spike protein)的蛋白质和它入侵的细胞上的蛋白质——血管紧张素转换酶2 (ACE 2)结合，结合后的刺突蛋白会促进病毒与细胞膜的融合[2]，然后病毒里面的RNA就能进入我们的体细胞。所以说那RNA可怕极了！会把我们的细胞变成它发动战争的兵工厂啊！”
“那刺突蛋白就是打开细胞大门的钥匙，血管紧张素转换酶2正是这把钥匙的锁喽。”
“没错！”
“我们得阻止它进入体细胞！”
“DNA是遗传信息的载体，而DNA能够转录产生mRNA，mRNA又能翻译合成生物体需要的蛋白质。mRNA能够作为疫苗使用，也正是因为这一点。mRNA被运输到我们的身体后，能翻译出病毒的全长刺突蛋白或者刺突蛋白上与ACE 2结合的区域[2]，这些翻译产生的蛋白质被身体免疫识别，也就为免疫细胞军团指明了进攻目标，摧毁那‘钥匙’，抵抗病毒的入侵啦。”山羊博士认真解释着。
“不过这反应器里咋都是细菌啊？”
“因为这mRNA正是由细菌中人工构建的环状DNA转录产生呀[3]，这样便可以实现快速、低成本生产，一个5 L的反应器能在一次反应中产生约100万剂mRNA疫苗[2]。同时，快速的生产方式也使得mRNA疫苗具有了更高的灵活性，如果病毒发生突变，只要确定其基因组序列，便可设计出相应mRNA并快速生产[4]。”
蹦蹦熊呆住了，最初的恐惧渐渐变成了激动，他面前黑乎乎的家伙们，似乎正在忙着完成一项伟大的事业——为全世界的人生产疫苗！
“合成好的mRNA经过处理纯化就可以进行封装了。”山羊博士瞅着蹦蹦熊傻傻的样子发笑，话音未落，两人便已到达探险旅途的第二站。
“这儿的味道，像酸梅汤！嗯……不对，应该是醋，这可比酸梅汤酸多了。”蹦蹦熊想着想着，竟流出些口水来。山羊博士的胡子微微抖了抖，随后他清了清嗓子，“喂，蹦蹦熊，你知道吗？我们现在是在mRNA酸性溶液里，一会儿这些mRNA就要被封装在脂质纳米颗粒里面了。”
“封装？颗粒？”蹦蹦熊回过神儿来。
“是啊，mRNA分子量不算小，还带着负电荷，不能轻轻松松穿过咱细胞膜的脂双层。而且，mRNA直接暴露在外面，不仅自身会快速水解，还会被免疫系统的细胞给分解掉……[2]”山羊博士嘴里絮絮叨叨。
“那该怎么办呀？我还以为造出来那mRNA，这疫苗就算成了呢！”
“所以就得用脂质把它们封装起来呀。那颗粒，叫做脂质纳米颗粒(liquid nanoparticles，LNPs)，它可给mRNA的递送提供了诸多便利。”
“山羊博士！山羊博士！你说的那脂质就要过来了！”蹦蹦熊又被眼前的景象震撼到了，手忙脚乱地躲到山羊博士身后。只见脂质液体滔天巨浪一般铺天盖地涌来，它们快速地把mRNA包围起来，形成一个个不大不小的颗粒。
山羊博士注视了许久，庄重地挺直腰板，双手背在身后，仿佛是在欣赏一场盛大的表演。不过也是，那mRNA和脂质旋转着，融合着，倒还真像是一群难分难舍的舞者，举行着期待已久的舞会。
一切都平静下来后，山羊博士才回过头来，“脂质纳米颗粒是通过有机溶液和水溶液混合得到的。脂质溶解在乙醇中，mRNA溶解在pH为4的酸性缓冲液中。两种溶液一混合，不但会使质子化的脂质和mRNA产生静电吸引，还会导致脂质由于在水里面难以溶解而自发通过疏水作用相互结合[5]。这就把那mRNA封装在里面了。”
山羊博士好像骤然精神了许多，在他的双眸中，蹦蹦熊似乎看到了热爱、执着和其他什么难以理解的东西，“这脂质纳米颗粒里面包含了四种脂质，脂质柔韧性好，可以被生物体降解，还可以借助生物过程发挥作用。用它作载体，优势可大了[6]。”
“四种脂质？”
“没错，是磷脂、胆固醇、PEG (polyethylene glycol)-脂质和可电离脂质。前三种有助于稳定脂质纳米颗粒的结构。具体说来，磷脂如DSPC (1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholine)有助于形成稳定的双层结构；
胆固醇填充颗粒中的间隙，促进膜融合[5]；
聚乙二醇(PEG)脂质能延长颗粒在体内循环系统中的循环时间[7]，在疫苗的制造、运输、储存过程中稳定脂质纳米颗粒防止聚集，并且在疫苗注射后迅速解离离开LNP[8]。可电离脂质则最为关键，酸性条件下带正电，生理条件下变中性，使之对身体的毒性下降[9]。可电离脂质与mRNA配制成纳米颗粒，能与带负电的mRNA产生静电吸引，同时使纳米颗粒带正电；
在细胞内体的酸性环境中，它又带上了正电荷，促进了脂质与内体膜的融合，有助于mRNA的释放[2]。”
“细胞的内体又是怎么一回事呢？”蹦蹦熊试图理解那些关于脂质的一切。四种神奇的脂质像刚刚包裹mRNA一样缠绕在他的脑海里，挥之不去。
“这个啊，是细胞吞噬脂质纳米颗粒时产生的一种囊泡结构。”
蹦蹦熊听得云里雾里，“所以只要这样，疫苗就算合成了吗？”
“哪里有这么轻松，还有细胞靶向这事儿呢！这纳米颗粒经过优化和进一步修饰，就能让它们更快地前往目标细胞啦。比如可以调整四种脂质的比例，还可以在表面包一层抗体(图1)……[7]”
图1 mRNA疫苗的合成过程
“mRNA好像饺子馅儿，外面的脂质好像饺子皮儿，那用来靶向的抗体嘛，是辛勤的快递员，去送热腾腾的饺子……”蹦蹦熊心里想着，早已出了神。
“我感觉好困啊。”蹦蹦熊揉揉眼睛。
“因为我们现在跟着疫苗一起被冷藏啦，你可不要睡着啊。”
“啊？冷藏？”蹦蹦熊猛然清醒了大半。
“没错，mRNA不稳定，很容易被快速水解，必须在低温下存放。”山羊博士说着递给蹦蹦熊一件冬衣，“那我给你讲故事听，怎么样？”
“好啊！我绝对不会睡着的！”
蹦蹦熊和山羊博士找了一个纳米颗粒背靠背坐下，山羊博士便将mRNA疫苗曾经的故事轻轻道来：
“脂质水溶性差，在水溶液中能够自发地包裹形成球状结构——脂质体。早在1978年，科学家们便使用了这样的球状结构，把mRNA送到小鼠和人类细胞中，以诱导蛋白质表达。脂质体起到了与脂质纳米颗粒相似的作用——包装和保护mRNA。而在1984年，Krieg等人成功使用取自病毒的一种RNA合成酶和其他工具产生具有生物活性的mRNA，他们当时都没有想到这项技术可以被用于疫苗生产。1987年，Robert Malone里程碑式地将脂质与mRNA混合，发现mRNA被人细胞吸收并表达[9]。”
“mRNA疫苗就算是研究成功了吗？”蹦蹦熊凝视着眼前悬浮着的一个又一个颗粒。在冷藏室的灯光映衬下，它们闪耀着光辉。近处的像茫茫宇宙中的一颗颗神秘星球，稍远处的像正月十五的芝麻馅儿元宵，远处的像一粒粒圆圆的甜甜的夹心硬糖。
“这只是开端！在那之后，大家都觉得mRNA不稳定，又贵，不能当疫苗用。直到多年后诞生了mRNA修饰和脂质纳米颗粒相关技术[9]。”
“mRNA还得修饰？”
“是的，在Karikó和Weissman的实验中，由于对mRNA的免疫识别，实验中的小鼠产生了严重的炎症反应[9]。这告诉我们，制造疫苗，必须帮助mRNA逃过免疫识别。这一方面需要脂质纳米颗粒作为保护mRNA的屏障，另一方面也更需要对mRNA的序列做文章。”
“要躲过识别，就得给mRNA再穿上一层‘隐身衣’喽？”蹦蹦熊幻想着。
“在2005年，Karikó和Weissman的研究成果表明，尿苷酸类似物能够阻止免疫识别[9]，成为mRNA疫苗研究历史上的重要进步。”山羊博士的手指在空中慢慢比划着，像是正把远方闪烁的颗粒连成一道道线，形成mRNA的形状，“合成的mRNA模拟了生物体内mRNA的结构，有5个部分：5’帽、5’非编码区、编码抗原的区段、3’非编码区、多聚腺苷酸尾(图2)。”
图2 mRNA链的结构
“原来mRNA长得像虫子啊，还有头有尾的。”
“可别小瞧这条‘虫’，一方面，5’帽上的修饰能够阻止细胞的免疫识别，同时在空间上，5’帽的存在保护了mRNA不容易被水解；
另一方面，mRNA由核苷酸组成，因为生物体中的mRNA包含着修饰的核苷，所以要骗过细胞，mRNA也得包含着修饰过的核苷，比如假尿苷、N1-甲基假尿苷等核苷类似物[2]。正是这样的层层保护，才能防止mRNA的翻译被阻断啊……”
“在21世纪初，T型连接装置的发明使得脂质纳米颗粒的制造更加方便，为疫苗生产做出了重要贡献[9]。正是科学工作者十几年来的研究积淀，使得2020年辉瑞-BioNTech疫苗能够快速问世。”
蹦蹦熊靠着山羊博士渐渐睡着了，口水也不听话地流了出来。他呀，准是梦到什么好吃的啦！
不知过了多久，蹦蹦熊被山羊博士晃醒了，“快醒醒，蹦蹦熊，我们该回去啦。”
“这是哪里啊？”蹦蹦熊吃惊地发现他们周围早已不再是冷藏的颗粒，而是一座巨大的场馆，里面灯火通明，还有许许多多身穿防护服的人员。
“这里不久会进行疫苗的接种工作，这里便是我们旅程的终点了。”山羊博士感慨地观望着场馆中的一切，“走吧，蹦蹦熊，是时候离开了。”
穿梭机中，时间仿佛变得慢下来，疫苗研发、生产再到送往全世界接种的整个过程在两人身旁闪现而过。“蹦蹦熊，你知道吗？正是由于mRNA疫苗的种种优势，使其能够同时在应对病毒传染病和肿瘤治疗中受到重视。在病毒传染病方面，现已在新冠病毒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，如巨细胞病毒、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疫苗等取得重要进展[10]。在肿瘤疫苗方面，虽然由于肿瘤抗原的高度多样性和较低的免疫反应，将mRNA肿瘤疫苗应用于临床还存在困难，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续推进……”
这一次蹦蹦熊没有再睡着，而是认真听着，生怕漏掉一个字。
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