被降級的女科學家與mRNA疫苗

最近國內因疫情嚴重，國人急著要求政府購買疫苗，特別是防疫效果最好的莫德納(Moderna)及輝瑞/BNT（Pfizer/BioNTech）疫苗。莫德納是美國公司製造的，而輝瑞/BNT主要是美國輝瑞和德國BioNTech合作製造的，這兩種疫苗有一個共通性就是都屬於mRNA疫苗。到今天為止，全世界做的出mRNA疫苗的也只有這三家公司。網友都很迷惑，到底美國有什麼黑科技沒有告訴大家？製造疫苗又不是什麼新鮮事，為什麼到今天為止只有美國製藥公司做的出來？

我在網路上陸續看了一些資料，本來看過後自己明白就算了，不過後來想一想或許有些人也有類似疑問但看不懂英文，也有些人懂英文但對醫學不太了解，因此我決定以STAT 2020年11月的文章為框架加入我一點心得和說明，希望這篇文章對大家有啟發和鼓勵的作用。

病毒疫苗是如何製造

最簡單的方法是將病毒去除毒性，保留會引起人類身體免疫反應的蛋白質（如棘蛋白）即可成疫苗。中國的國藥就是屬於此類。但是這種方法因為注入太多病毒碎片和蛋白質，因此副作用高保護力也比較低。

比較複雜一點的方法是把病毒製造棘蛋白（或抗原）那一段DNA取出來。但我們不能直接把DNA注射到身體，因為這些病毒DNA還沒有進入細胞就會被分解消滅了。因此我們需要另外一種無害的病毒幫忙把這一段DNA帶入人體細胞，現在常用的就是腺病毒。英國/瑞典的阿斯特捷利康(AstraZeneca, AZ)及美國/比利時的嬌生(Johnson & Johnson, J&J)就屬這類疫苗。這類疫苗由於蛋白質比較純，因此副作用比較少。但是因為多了腺病毒當車手，這個腺病毒據懷疑可能是引起血栓的兇手，台灣有些人就卡在這裡不願注射AZ疫苗。

更複雜的方法就是直接把抗原性最強的棘蛋白製造出來注入人體，稱做蛋白質次單位疫苗。這需要用到細胞基因重組技術，而台灣在這方面相當有經驗，例如B肝疫苗就是這類疫苗。這裡面有它的竅門和難處，作為疫苗的棘蛋白並非和病毒的棘蛋白一模一樣，而是加了一些修飾讓它不易被不相干的細胞捕捉造成這些細胞死亡。傳說國產的高端和聯亞技術來自於美國Novavax，因此它們屬於同門師兄弟。

最後一種也是最困難的一種就是mRNA疫苗了。這裡稍微為沒有生科背景的人解釋一下什麼叫mRNA。我們身體的全部密碼是記錄在細胞核的DNA上，要使用時—例如需要某一種酶或蛋白質時，就把如何製造的這一段DNA轉錄到RNA上，這一段帶有製造訊息的RNA就是mRNA。mRNA會從細胞核送到細胞質裡面，然後另外一種叫tRNA跑過來翻譯mRNA上的訊息，根據解碼後的訊息把胺基酸串起來，就能夠做出所需的蛋白質。

前二種製造疫苗的方式會不小心帶入病毒的其它蛋白質或DNA引起副作用。而本方式只帶製造病毒棘蛋白的mRNA進入人體細胞，由人體細胞根據這份說明書自行做出病毒棘蛋白，因此純度會最高而且沒有副作用。

科學家很早就想利用mRNA來治病，許多代謝性疾病都是身體缺乏某種蛋白質，如果我們能夠把製造此蛋白質的mRNA送進細胞內，細胞就能根據這份秘笈自行產生蛋白質而治癒疾病。在1980～1990年代科學家曾經流行一陣研究風潮，但一直碰壁失敗後來就逐漸放棄了，為什麼呢？我們知道mRNA是由AUCG這4個核糖核苷酸組成的，就像樂高模型是由樂高元件組成的mRNA也是，但它的元件只有4個。所以理論上mRNA是很容易合成的，奇怪的是合成出來的mRNA注入體內會被身體免疫細胞辨識出來這是合成的而不是身體自己的，因此會被迅速分解清除掉，而且這個清除過程還會引起不必要的免疫風暴造成病人生命危險。1990年代科學家在這裡卡住了好久搞不懂為什麼？合成的mRNA和細胞核的mRNA明明長得一模一樣，怎麼細胞一眼辨識出這是外來的呢？由於一直無法突破這個難關，最後大家就紛紛放棄用mRNA來治病的想法。

一位女科學家的發現

寫了這麼多我們的主角也該登場了。Katalin Karikó是一位匈牙利的科學家，本來待在匈牙利Szeged大學當博士後研究mRNA。但是她研究多年卻研究不出什麼也爭取不到研究經費，於是在1985年被解雇了。Karikó在學生時代就是很優秀的研究人員，得了非常多奬以及獎學金，之後會沒什麼成果純粹是這個問題在當時太難了。

既然在匈牙利沒有研究的機會，她於是決定居家遷到美國，1985年先在費城天普大學(Temple)謀得一份工作，四年後據說因為跟她的老闆吵架而離職。後來她又在賓州大學(Uppen)謀得教職繼續她的mRNA研究。Karikó回憶她當時每天都在寫計畫爭取資助卻屢遭拒絕，沒有人願意投資她。經過了六年沒有任何成果，她被賓州大學降級(demoted)降薪。禍不單行，同年她罹患癌症，先生又因為簽證出問題卡在匈牙利無法來美國她必須獨立照顧女兒。一般人到此地步應該陷入沮喪自暴自棄了吧？Karikó的確也開始懷疑是不是自己不夠好或不夠聰明？是不是該轉換研究主題？是不是要再找別的研究工作？但她就是不甘心這樣放棄，她知道所有需要的東西就在這裡，只是不曉得缺少什麼？一點運氣或一個祝福？她決定厚著臉皮繼續留在賓大等待時機。

兩年後事情有了變化，賓大來了一位新老師叫 Drew Weissman。Weissman是一位醫師也是免疫學家，他曾在美國國衛院(NIH)做研究，當時老師就是跟川普唱反調的Anthony Fauci，之後於1997年到賓大任職建立自己的實驗室。據說他在影印機旁影印時認識了Karikó，閒聊之下發現她對mRNA很有熱忱於是就開啟了二人合作之路。終於8年之後有了結果，他們在2005年發表的研究指出不能用AUCG來做為mRNA的原料，這樣做出來的mRNA會被免疫系統或細胞內的TLR認出來而消滅掉。mRNA必須加入一些修飾過(modified)的核糖核苷酸，如m5C, m6A, ψ (音”賽”, pseudoU), s2U等，這樣才能騙過免疫細胞和TLR。賓大為此技術申請了專利，可惜這篇文章在學界並沒有受到太多矚目，因此直到2013年Karikó離職時學校只給她一個兼任副教授的職位。

引蛇出洞

Kariko與Weissman2005年發表的這篇論文之所以沒有引起太多人注意是因為mRNA的藥物研究早被訴諸高閣所以關心的人不多。幸好世界很大能人異士很多，有2個人注意到了，一個在美國；一個在德國。在美國的這位叫Derrick Rossi，加拿大人，2005年在史丹佛大學當博士後時讀到這篇論文，等到2007年他得到哈佛大學教職建立自己的實驗室時想到這篇論文。Rossi是生物學家，他思考是否可以用mRNA的技術把一般的細胞轉換成胚胎幹細胞？因為雖然可以從死胎中取得胚胎幹細胞，但在倫理和法律上都有很多限制。他和研究生花了1年多的時間真的利用mRNA將一般體細胞變成胚胎幹細胞！他興奮地跑去告訴同校的教授Timothy Springer， Springer也覺得這個發現真是好棒於是又告訴他MIT的好友Robert Langer教授。

這位Robert Langer教授來歷非同小可，是一位生物工程及藥物製造的指標人物，擁有400多項藥物專利及250個各類獎項，大概是前中研院院長翁啟惠那種等級的大P吧。2010年Rossi與Springer來到劍橋向他簡報Rossi的發現。Langer聽完後陷入沉思，他不像Rossi只是個剛起步的小助理教授見識不多，Langer知道這在藥物製造上將是個不得了的發現，牽涉到數百億美金和數百萬人的生命。三天後Rossi又向一位創投Noubar Afeyan報告這項研究，同樣引起Afeyan的興趣，他和Langer一樣認為這項mRNA技術有非常大的潛力。於是幾個月後Rossi, Langer及Afeyan共同成立了一家應用mRNA的製藥公司叫Moderna (莫德納, modified RNA的意思)。

生科公司是很燒錢的，Moderna從2010創立到2014年之間Langer, Afeyan等人都掏出了幾百萬美金，但公司連一項產品都還沒開發出來。不久Rossi就忍不住了，他只是個小教授本來就沒什麼錢，又受到Afeyan等人的排擠說他的貢獻不大，因此在2014年憤而退出這家自己創立的公司。這些八卦讓大家知道搞生技公司的難度比電子公司高多了，因為回報很難預期。像台灣的浩鼎公司從2009年設計乳癌藥物到2016年解盲失敗，這七年的心血都打了水漂還沾惹一堆官司。

德國移民

2008年在德國，有一對土耳其裔醫師夫婦 Ugur Sahin 和Özlem Türeci因為對使用免疫系統治療癌症的方法(CART)有興趣，於是與人合資設立一家以個人化癌症免疫療法為目標的生技公司叫 BioNTech (Biopharmaceutical New technologies, BNT)，由Sahin擔任CEO，Türeci擔任藥物主管。他們的目標是免疫療法不是mRNA，不過他們顯然注意到賓大這篇論文，在2013年挖角Karikö當他們的資深副總裁。

Sahin, Türeci和Karikó都是老實人，因此這家新創的BNT也是老實公司。他們做傳統研究人員會做的事：研究，寫論文，發表論文，然後再研究，再寫論文，再發表論文。總計公司成立後8年發表了150篇論文，手上有13種可能成功的藥物在臨床實驗中。2019年這家小公司進行IPO總共募到1億5千萬美元，成績不錯，不過還是沒有任何臨床藥物成功。

莫德納與BNT這兩家公司的文化很不一樣。莫德納很會從市場撈錢，他們雇用一位才38歲的商場新星Stéphane Bancel當CEO， 在連人體實驗都還沒開始的2012年就從創投那裡弄到4千萬美元，同年又從阿斯特捷利康弄到2億4千萬美元當作mRNA新藥的權利金。莫德納公司在Bancel三寸不爛之舌的吹捧下，5年內吸金10億美元！誇張的是他們連一篇論文都沒發表，一顆藥都還沒產出。2018年這家公司IPO又進帳6億2千萬美元，公司市值上升到75億美元，成為有史以來IPO最高金額的生技公司。這時候已經生產出什麼藥了嗎？沒有！只有在進行一種癌症藥物和一種CMV病毒疫苗的初期臨床試驗。所以各位不要再教導小孩說畫大餅/虎爛沒有用，事實證明畫得好值幾十億美金。

其實風光的背後莫德納高層很著急。因為他們的動物實驗一直失敗。莫德納本來是想用mRNA來製造抗癌藥物，卻遇到了Karikó之前遇到的瓶頸：強烈的免疫風暴。Karikó和Weismann不是解決這個問題了嗎？不是用修飾過的核糖核苷酸就能騙過免疫細胞嗎？並不盡然，他們的方法可以騙過免疫系統1～2次，但是如果不斷重複使用同樣的mRNA，最終會被認出來然後引發嚴重的免疫反應。這很容易理解，就像一個間諜每次都黏了假鬍子帶墨鏡，可能可以騙過警衛1～2次，但每次都同樣的偽裝終究會被認出來。因此莫德納不得不偷偷轉型，從發展癌症藥物的公司變成發展疫苗的公司，因為疫苗通常只需要注射1～2次。但這件事千萬不能傳出去，公司之所以能圈這麼多錢，就是因為治療癌症這塊餅夠大；如果大家發現莫德納只能做疫苗那股價恐怕會崩跌，有看過只做疫苗的大公司嗎？

世紀病毒

不論是BNT或莫德納壓力都很大，投資人給了這麼多錢如果3～5年沒有看到成績，恐怕就會人走茶涼變成新的“一滴血“公司。然而就在2019年的12月，世界另一端發生了一件改變人類歷史也改變這兩家公司命運的大事：新冠肺炎(Covid-19)爆發了。

2020年1月11號中國的科學家在網路公佈了這隻病毒的RNA序列，Moderna和BioNTech這兩家公司馬上就全軍出動進入戰鬥狀態。他們不是傳統減毒疫苗公司需要有病毒才能工作，他們只要有RNA的序列就能夠合成出需要的mRNA片段，然後用脂質(lipids)包裹好接著就能夠注入人體進行實驗了。因此他們的對手只有彼此，要比對方更快一步做出疫苗才行，這個疫苗的買家是全世界是幾百億甚至幾千億的商機，絕對不能輸。

要提醒大家的是製作mRNA疫苗的過程和使用的秘方是很複雜的，科普文章一句話帶過的“用脂質包裹“其實裡面就隱藏了很多know-how，例如莫德納使用的脂質為：

• SM-102
• 1,2-dimyristoyl-rac-glycero3-methoxypolyethylene glycol-2000 [PEG2000-DMG]
• cholesterol
• 1,2-distearoyl-snglycero-3-phosphocholine [DSPC]

為什麼要用這四種脂質？前面提到莫德納成立到IPO這段期間連一篇論文都沒有發表所以沒有幾個人知道，這可是人家花了幾十億美金和十年研究得到的結果。所謂十年磨一劍，在病毒被定序後2天莫德納就做出了相應的mRNA-1273，第25天就完成第一批藥物。2020年3月4日開始進行第一階段人體試驗；4月16日接受美國政府組織BARDA資助4億8千萬美元加速疫苗的研究和生產；5月29日進行第二階段試驗；7月27日進行第三階段試驗，最後趕在同年12月18日獲得FDA授權使用。在這一年的期間莫德納的股價也從20美元左右暴衝到年底的157美元。

在德國的BNT作法不一樣，Sahin知道自己和莫德納比起來只是一家中型公司，也沒有Langer或Afeyan這樣的明星股東，因此他們很務實地找一家夠大且有生產疫苗經驗的藥廠合作，這家合作的藥廠就是輝瑞(Pfizer)。輝瑞果然大氣，他們為了避免政治力量的干擾在研發期間拒絕政府的預付款或補助；此外CEO Albert Bourla公開表示如果這疫苗研發失敗，輝瑞將獨立吸收所有的財務損失。由於有這麼有肩膀的公司合作，因此輝瑞BNT很快趕上莫德納在同一天7月27日進行第三階段人體試驗，最後比莫德納快7天在12月11日獲得FDA授權緊急使用。BNT股價從2020年初的40美元到年底站上127美元；但輝瑞的股價則沒有什麼變化一直在40美元左右徘徊。

這兩家公司用的都是最新技術，研發資金和技術人員也都是最頂尖，因此最後做出來的疫苗效果也相近：輝瑞BNT的疫苗有95%的保護力，莫德納則為94%。美國從2020年12月14日開始施打疫苗，到了隔年6月8日全美有1億4千萬人(42.3%)注射2劑；3千1百萬人(9.4%)注射1劑，得病人數和重症人數從今年4月後開始急速下降，與去年12月至今年1月高峰期的慘狀不可同日而語，有些州甚至已經解除禁令開始正常生活旅遊。美國也從5月開始計畫捐獻疫苗給全世界其它國家，希望能撲滅這場全球的疫情。

世界其它國家也研發了疫苗，如英國的AZ、美國的J&J、俄羅斯的Sputnik 5號、中國的科興等等，但這些疫苗在保護力方面都及不上mRNA疫苗。其實美國的大藥廠默克(merck)在2020年也有加入研發疫苗的行列，他們使用2種不同方式製作減毒疫苗卻在2021年1月宣布放棄，就是因為做出來的效果不如mRNA疫苗。莫德納和輝瑞BNT的產品同時也是史上最快上市的疫苗，不到一年的時間從研發到製造就完成了，雖然這其中有美國曲速行動(Operation Warp Speed)在經費和行政上的襄助，但如果不是20年前Katalin Karikó一個人的堅持，那麼即使有國家的幫助也沒有任何公司能夠在這麼短的時間做出mRNA疫苗。我們也從整個過程看到自由世界的力量，莫德納在短短的幾年內匯集了幾十億美金的經費投入mRNA藥物的夢想，這其中沒有國家的支持完全是資本主義市場運作的結果。有些人認為極權主義國家能夠集中力量辦大事，效率勢必贏過民主國家，從mRNA疫苗這件事看來答案恰好相反，自由民主國家才有土壤和養份讓各種學科自行發展。

新冠肺炎疫情發生初期，美國國師Anthony Fauci就指出對新興傳染病疫苗的研發重點在速度，因此以核酸疫苗(DNA 質體 或 mRNA)比較適合。最後他選擇mRNA疫苗優先，可能是DNA 疫苗在人類的效果不佳之故。雖然mRNA有這麼多優點：速度快，保護力高，副作用低，但是長期或多次注射會有什麼後果還是未知。6月1日Science刊出以色列的報告指出極少數年輕人在注射輝瑞BNT疫苗之後發生心肌炎，值得注意的是這些個案只發生在第二次注射，因此科學家懷疑有可能是mRNA作祟。未來新冠肺炎流感化加上出現的各種變種病毒如英國和印度變種，勢必得追加注射。前面說過，mRNA疫苗在動物實驗發現多次注射可能引發免疫風暴，在人身上會不會如此？現在不好說。

參考資料

• https://u-szeged.hu/news-and-events/2021/katalin-kariko-an-alumna
• https://www.statnews.com/2020/11/10/the-story-of-mrna-how-a-once-dismissed-idea-became-a-leading-technology-in-the-covid-vaccine-race/?fbclid=IwAR1Pyh657zZOuiFNWVM4303EKedr0rkzh3O7CtH-dkYWlwuFQgQLFvIKyc8
•  DOI: 10.1016/j.immuni.2005.06.008
• https://www.businessinsider.com/biotech-moderna-prices-initial-public-offering-2018-12
• https://www.hackensackmeridianhealth.org/HealthU/2021/01/11/a-simple-breakdown-of-the-ingredients-in-the-covid-vaccines/
• https://www.modernatx.com/modernas-work-potential-vaccine-against-covid-19
• https://www.biospace.com/article/comparing-covid-19-vaccines-pfizer-biontech-moderna-astrazeneca-oxford-j-and-j-russia-s-sputnik-v/
• https://www.sciencemag.org/news/2021/06/israel-reports-link-between-rare-cases-heart-inflammation-and-covid-19-vaccination?fbclid=IwAR1zX7TSBrwaKi9OIO1NFm65AK085T_lnQIDSOin8SEYAyFm9_gDHb02VIY
• https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29566112/