最近国内因疫情严重，国人急着要求政府购买疫苗，特别是防疫效果最好的莫德纳(Moderna)及辉瑞/BNT（Pfizer/BioNTech）疫苗。莫德纳是美国公司制造的，而辉瑞/BNT主要是美国辉瑞和德国BioNTech合作制造的，这两种疫苗有一个共通性就是都属于mRNA疫苗。到今天为止，全世界做的出mRNA疫苗的也只有这三家公司。网友都很迷惑，到底美国有什么黑科技没有告诉大家？制造疫苗又不是什么新鲜事，为什么到今天为止只有美国制药公司做的出来？
我在网路上陆续看了一些资料，本来看过后自己明白就算了，不过后来想一想或许有些人也有类似疑问但看不懂英文，也有些人懂英文但对医学不太了解，因此我决定以STAT 2020年11月的文章为框架加入我一点心得和说明，希望这篇文章对大家有启发和鼓励的作用。
病毒疫苗是如何制造
最简单的方法是将病毒去除毒性，保留会引起人类身体免疫反应的蛋白质（如棘蛋白）即可成疫苗。中国的国药就是属于此类。但是这种方法因为注入太多病毒碎片和蛋白质，因此副作用高保护力也比较低。
比较复杂一点的方法是把病毒制造棘蛋白（或抗原）那一段DNA取出来。但我们不能直接把DNA注射到身体，因为这些病毒DNA还没有进入细胞就会被分解消灭了。因此我们需要另外一种无害的病毒帮忙把这一段DNA带入人体细胞，现在常用的就是腺病毒。英国/瑞典的阿斯特捷利康(AstraZeneca, AZ)及美国/比利时的娇生(Johnson & Johnson, J&J)就属这类疫苗。这类疫苗由于蛋白质比较纯，因此副作用比较少。但是因为多了腺病毒当车手，这个腺病毒据怀疑可能是引起血栓的凶手，台湾有些人就卡在这里不愿注射AZ疫苗。
更复杂的方法就是直接把抗原性最强的棘蛋白制造出来注入人体，称做蛋白质次单位疫苗。这需要用到细胞基因重组技术，而台湾在这方面相当有经验，例如B肝疫苗就是这类疫苗。这里面有它的窍门和难处，作为疫苗的棘蛋白并非和病毒的棘蛋白一模一样，而是加了一些修饰让它不易被不相干的细胞捕捉造成这些细胞死亡。传说国产的高端和联亚技术来自于美国Novavax，因此它们属于同门师兄弟。
最后一种也是最困难的一种就是mRNA疫苗了。这里稍微为没有生科背景的人解释一下什么叫mRNA。我们身体的全部密码是记录在细胞核的DNA上，要使用时—例如需要某一种酶或蛋白质时，就把如何制造的这一段DNA转录到RNA上，这一段带有制造讯息的RNA就是mRNA。mRNA会从细胞核送到细胞质里面，然后另外一种叫tRNA跑过来翻译mRNA上的讯息，根据解码后的讯息把胺基酸串起来，就能够做出所需的蛋白质。
| DNA | 正本说明书 |
| mRNA | 副本说明书 |
| tRNA | 翻译 |
| 胺基酸 | 零件 |
| 蛋白质 | 产品 |
前二种制造疫苗的方式会不小心带入病毒的其它蛋白质或DNA引起副作用。而本方式只带制造病毒棘蛋白的mRNA进入人体细胞，由人体细胞根据这份说明书自行做出病毒棘蛋白，因此纯度会最高而且没有副作用。
科学家很早就想利用mRNA来治病，许多代谢性疾病都是身体缺乏某种蛋白质，如果我们能够把制造此蛋白质的mRNA送进细胞内，细胞就能根据这份秘笈自行产生蛋白质而治愈疾病。在1980～1990年代科学家曾经流行一阵研究风潮，但一直碰壁失败后来就逐渐放弃了，为什么呢？我们知道mRNA是由AUCG这4个核糖核苷酸组成的，就像乐高模型是由乐高元件组成的mRNA也是，但它的元件只有4个。所以理论上mRNA是很容易合成的，奇怪的是合成出来的mRNA注入体内会被身体免疫细胞辨识出来这是合成的而不是身体自己的，因此会被迅速分解清除掉，而且这个清除过程还会引起不必要的免疫风暴造成病人生命危险。1990年代科学家在这里卡住了好久搞不懂为什么？合成的mRNA和细胞核的mRNA明明长得一模一样，怎么细胞一眼辨识出这是外来的呢？由于一直无法突破这个难关，最后大家就纷纷放弃用mRNA来治病的想法。
一位女科学家的发现
写了这么多我们的主角也该登场了。Katalin Karikó是一位匈牙利的科学家，本来待在匈牙利Szeged大学当博士后研究mRNA。但是她研究多年却研究不出什么也争取不到研究经费，于是在1985年被解雇了。Karikó在学生时代就是很优秀的研究人员，得了非常多奖以及奖学金，之后会没什么成果纯粹是这个问题在当时太难了。
既然在匈牙利没有研究的机会，她于是决定居家迁到美国，1985年先在费城天普大学(Temple)谋得一份工作，四年后据说因为跟她的老板吵架而离职。后来她又在宾州大学(Uppen)谋得教职继续她的mRNA研究。Karikó回忆她当时每天都在写计画争取资助却屡遭拒绝，没有人愿意投资她。经过了六年没有任何成果，她被宾州大学降级(demoted)降薪。祸不单行，同年她罹患癌症，先生又因为签证出问题卡在匈牙利无法来美国她必须独立照顾女儿。一般人到此地步应该陷入沮丧自暴自弃了吧？Karikó的确也开始怀疑是不是自己不够好或不够聪明？是不是该转换研究主题？是不是要再找别的研究工作？但她就是不甘心这样放弃，她知道所有需要的东西就在这里，只是不晓得缺少什么？一点运气或一个祝福？她决定厚著脸皮继续留在宾大等待时机。
两年后事情有了变化，宾大来了一位新老师叫 Drew Weissman。Weissman是一位医师也是免疫学家，他曾在美国国卫院(NIH)做研究，当时老师就是跟川普唱反调的Anthony Fauci，之后于1997年到宾大任职建立自己的实验室。据说他在影印机旁影印时认识了Karikó，闲聊之下发现她对mRNA很有热忱于是就开启了二人合作之路。终于8年之后有了结果，他们在2005年发表的研究指出不能用AUCG来做为mRNA的原料，这样做出来的mRNA会被免疫系统或细胞内的TLR认出来而消灭掉。mRNA必须加入一些修饰过(modified)的核糖核苷酸，如m5C, m6A, ψ (音”赛”, pseudoU), s2U等，这样才能骗过免疫细胞和TLR。宾大为此技术申请了专利，可惜这篇文章在学界并没有受到太多瞩目，因此直到2013年Karikó离职时学校只给她一个兼任副教授的职位。
引蛇出洞
Kariko与Weissman2005年发表的这篇论文之所以没有引起太多人注意是因为mRNA的药物研究早被诉诸高阁所以关心的人不多。幸好世界很大能人异士很多，有2个人注意到了，一个在美国；一个在德国。在美国的这位叫Derrick Rossi，加拿大人，2005年在史丹佛大学当博士后时读到这篇论文，等到2007年他得到哈佛大学教职建立自己的实验室时想到这篇论文。Rossi是生物学家，他思考是否可以用mRNA的技术把一般的细胞转换成胚胎干细胞？因为虽然可以从死胎中取得胚胎干细胞，但在伦理和法律上都有很多限制。他和研究生花了1年多的时间真的利用mRNA将一般体细胞变成胚胎干细胞！他兴奋地跑去告诉同校的教授Timothy Springer， Springer也觉得这个发现真是好棒于是又告诉他MIT的好友Robert Langer教授。
这位Robert Langer教授来历非同小可，是一位生物工程及药物制造的指标人物，拥有400多项药物专利及250个各类奖项，大概是前中研院院长翁启惠那种等级的大P吧。2010年Rossi与Springer来到剑桥向他简报Rossi的发现。Langer听完后陷入沉思，他不像Rossi只是个刚起步的小助理教授见识不多，Langer知道这在药物制造上将是个不得了的发现，牵涉到数百亿美金和数百万人的生命。三天后Rossi又向一位创投Noubar Afeyan报告这项研究，同样引起Afeyan的兴趣，他和Langer一样认为这项mRNA技术有非常大的潜力。于是几个月后Rossi, Langer及Afeyan共同成立了一家应用mRNA的制药公司叫Moderna (莫德纳, modified RNA的意思)。
生科公司是很烧钱的，Moderna从2010创立到2014年之间Langer, Afeyan等人都掏出了几百万美金，但公司连一项产品都还没开发出来。不久Rossi就忍不住了，他只是个小教授本来就没什么钱，又受到Afeyan等人的排挤说他的贡献不大，因此在2014年愤而退出这家自己创立的公司。这些八卦让大家知道搞生技公司的难度比电子公司高多了，因为回报很难预期。像台湾的浩鼎公司从2009年设计乳癌药物到2016年解盲失败，这七年的心血都打了水漂还沾惹一堆官司。
德国移民
2008年在德国，有一对土耳其裔医师夫妇 Ugur Sahin 和Özlem Türeci因为对使用免疫系统治疗癌症的方法(CART)有兴趣，于是与人合资设立一家以个人化癌症免疫疗法为目标的生技公司叫 BioNTech (Biopharmaceutical New technologies, BNT)，由Sahin担任CEO，Türeci担任药物主管。他们的目标是免疫疗法不是mRNA，不过他们显然注意到宾大这篇论文，在2013年挖角Karikö当他们的资深副总裁。
Sahin, Türeci和Karikó都是老实人，因此这家新创的BNT也是老实公司。他们做传统研究人员会做的事：研究，写论文，发表论文，然后再研究，再写论文，再发表论文。总计公司成立后8年发表了150篇论文，手上有13种可能成功的药物在临床实验中。2019年这家小公司进行IPO总共募到1亿5千万美元，成绩不错，不过还是没有任何临床药物成功。
莫德纳与BNT这两家公司的文化很不一样。莫德纳很会从市场捞钱，他们雇用一位才38岁的商场新星Stéphane Bancel当CEO， 在连人体实验都还没开始的2012年就从创投那里弄到4千万美元，同年又从阿斯特捷利康弄到2亿4千万美元当作mRNA新药的权利金。莫德纳公司在Bancel三寸不烂之舌的吹捧下，5年内吸金10亿美元！夸张的是他们连一篇论文都没发表，一颗药都还没产出。2018年这家公司IPO又进帐6亿2千万美元，公司市值上升到75亿美元，成为有史以来IPO最高金额的生技公司。这时候已经生产出什么药了吗？没有！只有在进行一种癌症药物和一种CMV病毒疫苗的初期临床试验。所以各位不要再教导小孩说画大饼/虎烂没有用，事实证明画得好值几十亿美金。
其实风光的背后莫德纳高层很着急。因为他们的动物实验一直失败。莫德纳本来是想用mRNA来制造抗癌药物，却遇到了Karikó之前遇到的瓶颈：强烈的免疫风暴。Karikó和Weismann不是解决这个问题了吗？不是用修饰过的核糖核苷酸就能骗过免疫细胞吗？并不尽然，他们的方法可以骗过免疫系统1～2次，但是如果不断重复使用同样的mRNA，最终会被认出来然后引发严重的免疫反应。这很容易理解，就像一个间谍每次都黏了假胡子带墨镜，可能可以骗过警卫1～2次，但每次都同样的伪装终究会被认出来。因此莫德纳不得不偷偷转型，从发展癌症药物的公司变成发展疫苗的公司，因为疫苗通常只需要注射1～2次。但这件事千万不能传出去，公司之所以能圈这么多钱，就是因为治疗癌症这块饼够大；如果大家发现莫德纳只能做疫苗那股价恐怕会崩跌，有看过只做疫苗的大公司吗？
世纪病毒
不论是BNT或莫德纳压力都很大，投资人给了这么多钱如果3～5年没有看到成绩，恐怕就会人走茶凉变成新的“一滴血“公司。然而就在2019年的12月，世界另一端发生了一件改变人类历史也改变这两家公司命运的大事：新冠肺炎(Covid-19)爆发了。
2020年1月11号中国的科学家在网路公布了这只病毒的RNA序列，Moderna和BioNTech这两家公司马上就全军出动进入战斗状态。他们不是传统减毒疫苗公司需要有病毒才能工作，他们只要有RNA的序列就能够合成出需要的mRNA片段，然后用脂质(lipids)包裹好接着就能够注入人体进行实验了。因此他们的对手只有彼此，要比对方更快一步做出疫苗才行，这个疫苗的买家是全世界是几百亿甚至几千亿的商机，绝对不能输。
要提醒大家的是制作mRNA疫苗的过程和使用的秘方是很复杂的，科普文章一句话带过的“用脂质包裹“其实里面就隐藏了很多know-how，例如莫德纳使用的脂质为：
- SM-102
- 1,2-dimyristoyl-rac-glycero3-methoxypolyethylene glycol-2000 [PEG2000-DMG]
- cholesterol
- 1,2-distearoyl-snglycero-3-phosphocholine [DSPC]
为什么要用这四种脂质？前面提到莫德纳成立到IPO这段期间连一篇论文都没有发表所以没有几个人知道，这可是人家花了几十亿美金和十年研究得到的结果。所谓十年磨一剑，在病毒被定序后2天莫德纳就做出了相应的mRNA-1273，第25天就完成第一批药物。2020年3月4日开始进行第一阶段人体试验；4月16日接受美国政府组织BARDA资助4亿8千万美元加速疫苗的研究和生产；5月29日进行第二阶段试验；7月27日进行第三阶段试验，最后赶在同年12月18日获得FDA授权使用。在这一年的期间莫德纳的股价也从20美元左右暴冲到年底的157美元。
在德国的BNT作法不一样，Sahin知道自己和莫德纳比起来只是一家中型公司，也没有Langer或Afeyan这样的明星股东，因此他们很务实地找一家够大且有生产疫苗经验的药厂合作，这家合作的药厂就是辉瑞(Pfizer)。辉瑞果然大气，他们为了避免政治力量的干扰在研发期间拒绝政府的预付款或补助；此外CEO Albert Bourla公开表示如果这疫苗研发失败，辉瑞将独立吸收所有的财务损失。由于有这么有肩膀的公司合作，因此辉瑞BNT很快赶上莫德纳在同一天7月27日进行第三阶段人体试验，最后比莫德纳快7天在12月11日获得FDA授权紧急使用。BNT股价从2020年初的40美元到年底站上127美元；但辉瑞的股价则没有什么变化一直在40美元左右徘徊。
这两家公司用的都是最新技术，研发资金和技术人员也都是最顶尖，因此最后做出来的疫苗效果也相近：辉瑞BNT的疫苗有95%的保护力，莫德纳则为94%。美国从2020年12月14日开始施打疫苗，到了隔年6月8日全美有1亿4千万人(42.3%)注射2剂；3千1百万人(9.4%)注射1剂，得病人数和重症人数从今年4月后开始急速下降，与去年12月至今年1月高峰期的惨状不可同日而语，有些州甚至已经解除禁令开始正常生活旅游。美国也从5月开始计画捐献疫苗给全世界其它国家，希望能扑灭这场全球的疫情。
世界其它国家也研发了疫苗，如英国的AZ、美国的J&J、俄罗斯的Sputnik 5号、中国的科兴等等，但这些疫苗在保护力方面都及不上mRNA疫苗。其实美国的大药厂默克(merck)在2020年也有加入研发疫苗的行列，他们使用2种不同方式制作减毒疫苗却在2021年1月宣布放弃，就是因为做出来的效果不如mRNA疫苗。莫德纳和辉瑞BNT的产品同时也是史上最快上市的疫苗，不到一年的时间从研发到制造就完成了，虽然这其中有美国曲速行动(Operation Warp Speed)在经费和行政上的襄助，但如果不是20年前Katalin Karikó一个人的坚持，那么即使有国家的帮助也没有任何公司能够在这么短的时间做出mRNA疫苗。我们也从整个过程看到自由世界的力量，莫德纳在短短的几年内汇集了几十亿美金的经费投入mRNA药物的梦想，这其中没有国家的支持完全是资本主义市场运作的结果。有些人认为极权主义国家能够集中力量办大事，效率势必赢过民主国家，从mRNA疫苗这件事看来答案恰好相反，自由民主国家才有土壤和养份让各种学科自行发展。
新冠肺炎疫情发生初期，美国国师Anthony Fauci就指出对新兴传染病疫苗的研发重点在速度，因此以核酸疫苗(DNA 质体 或 mRNA)比较适合。最后他选择mRNA疫苗优先，可能是DNA 疫苗在人类的效果不佳之故。虽然mRNA有这么多优点：速度快，保护力高，副作用低，但是长期或多次注射会有什么后果还是未知。6月1日Science刊出以色列的报告指出极少数年轻人在注射辉瑞BNT疫苗之后发生心肌炎，值得注意的是这些个案只发生在第二次注射，因此科学家怀疑有可能是mRNA作祟。未来新冠肺炎流感化加上出现的各种变种病毒如英国和印度变种，势必得追加注射。前面说过，mRNA疫苗在动物实验发现多次注射可能引发免疫风暴，在人身上会不会如此？现在不好说。
参考资料
- 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/
