▲科學界其實早在20多年前就開始著手研發mRNA技術。（示意圖／123RF）
文／潘懷宗 博士、陽明交通大學醫學院兼任教授
新冠肺炎肆虐以後，輝瑞／BNT和莫德納的信使核糖核酸疫苗（mRNA）迅速相繼推出，並表現亮眼，於是乎，mRNA的知名度在讀者心目中如雲霄飛車般竄升，目前已幾達無人不知、無人不曉的地步。然而，科學界其實早在20多年前就開始著手研發此項技術，且BNT成立於2008年，莫德納成立於2010年，當時均鮮有人知。mRNA除了可以做為病毒疫苗之外，它還可以做為治療特定難纏的癌症、預防癌症復發以及阻止遺傳上有癌症傾向的人罹患癌症（癌症疫苗）的一項利器，因此，mRNA技術將會是人類治療疾病無窮的希望和曙光。
首先，不論是當成疫苗或是治療疾病，都必須先教導我們的免疫系統認識敵人並且能夠摧毀敵人，兩者之間不同的僅僅是，疫苗對抗的敵人還沒有進入體內，而治療疾病所對抗的敵人已經在體內蹂躪我們了，如此而已。認識敵人當然先要把敵人抓起來讓免疫系統瞧上一瞧，但若把敵人整隻抓來，太大隻且太麻煩，所以，針對新冠病毒的標靶蛋白質（它的武器；也就是刺突蛋白）所設計出來的mRNA，就是病毒武器的製造藍圖，由於這張藍圖很脆弱、很容易毀損，因此科學家必須先將此藍圖（mRNA）包裹在一個脂質奈米顆粒中（Lipid nanoparticles），予以保護起來，但即便是這樣，疫苗仍需要冰凍在-80℃（輝瑞）或-20℃（莫德納）的條件下，以防毀壞變質，溫度的要求比一般疫苗來得高。
▲mRNA。（示意圖／123RF）
問題來了，當我們要對付癌細胞這個敵人的時候，我們並沒有像新冠病毒一樣有共同的標靶蛋白質（刺突蛋白）可以讓免疫細胞辦認，因為每種癌細胞中的DNA突變都不相同，甚至每位病患的個人化癌細胞突變也都有所差異，所以當癌症發生時，必需先將病患個人的腫瘤DNA拿到手，然後利用電腦找出和其本身正常細胞不同的獨特突變位置，然後再製作出只針對這位病患，這個癌症的獨特治療用mRNA，最後再放入脂質奈米顆粒中，用針注射到手臂的肌肉裡面去，如此一來，就能敲響警鐘，震聾啟聵，提醒免疫系統，積極製造武器（抗體），訓練特種部隊（毒殺型T細胞），專門擊殺一直欺瞞免疫系統的這隻可惡癌細胞。非常感謝科學上的突飛猛進，目前只需要4到8周的時間，用於治療癌症的個人化獨特mRNA就能設計出來，厲害吧！
▲新冠疫苗。（示意圖／123RF）
當用針垂直刺入手臂肌肉後，將含有mRNA的脂質奈米顆粒推入後，由於針刺是一個傷口，於是吸引大批的免疫細胞過來看看究竟，其中有一個白血球特殊兵種（樹突細胞）會把這個奇怪的、包裹著mRNA的脂質奈米顆粒先吞進細胞內（內吞作用，Endocytosis），重點來了，如果吞進來大多數的mRNA都能夠最後順利進入細胞質內的製造工廠（核糖體，Ribosome），那麼我們就可以製造出非常多的，可以辦認癌細胞的標靶蛋白質，直接送去軍團本部（淋巴結），給兵工廠參謀官（B細胞）和將軍們（T細胞）研發武器和訓練特殊打擊部隊使用，就因為免疫系統有了清楚且獨一無二的瞄準目標，因此，廓清癌細胞，完全康復，就能迅速完成。
綜上所述，一個mRNA治療技術的成功與否，顯然和三個重點有關，第1 是拿到獨特的標靶蛋白質DNA序列，設計成mRNA後，給免疫系統有正確的攻擊目標。第2是製造出能夠保護好mRNA的脂質奈米顆粒，且不會引起嚴重的身體副作用，第3是送進去的mRNA能夠順利進入細胞質的工廠，製造出標靶蛋白質給免疫細胞辨識。
▲民眾接種疫苗。（圖／記者湯興漢攝）
2021 年 12 月 9 日德國馬克斯普朗克分子細胞生物學和遺傳學研究所（MPI-CBG）澤瑞爾主任（Marino Zerial）及其團隊，和英國阿斯特捷利康（AstraZeneca）藥廠合作，使用高分辨率顯微鏡詳細觀察包裹在脂質奈米顆粒中的mRNA，從打入肌肉後，一直到進入細胞質的所有過程，成果已發表在《細胞生物學雜誌》的國際期刊上。藥廠主要是提供了脂質納米顆粒，研究結果顯示打入肌肉後的mRNA 必須經過一段漫長的旅程，如果仍然完好無缺，才能發揮功用，相當不容易。首先，mRNA是在封閉的脂質奈米顆粒中，當顆粒被樹突細胞吞進去後，就會被送到細胞質的的隔離艙中，叫做胞內體（Endosome），這就好像太空船一樣，先要確定一下有沒有帶壞人進來，才能進入太空船內（細胞質），此時，雖然mRNA 已經在細胞質的內部，但卻被兩層膜所困住，即奈米脂肪顆粒膜和胞內體的外膜。mRNA的重大挑戰是如何逃離這兩個屏障到達細胞質，然後進入細胞內的工廠（核醣體），提供標靶蛋白質的藍圖，製造出標靶蛋白質。科學家們早就知道只有極小部分的mRNA分子能夠逃出到達細胞質中，主要是因為被樹突細胞吞進來的東西，有下列幾種不同的命運。首先，如果在隔離艙中被認定無害後，且內吞物質對細胞有利用價值，就會進一步被運送到物流中心（Early Endosome），像貨物一樣，再分配到細胞內的各個目的地。但如果沒有利用價值的話，後期胞內體（Late Endosome）就會循環回到細胞膜表面，再把它們吐出去（Exocytosis），但先前內吞進來的一小段細胞膜就留在膜上再利用，超有效率。但假如是被認定有害，拍謝，直接送去肢解中心（Lysosomes）大卸八塊，所得到的肢體碎片，就拿來當作營養零件，佩服造物者的神奇吧！該論文的第一作者資深科學家帕拉馬西瓦姆博士（Prasath Paramasivam）說道，通過單分子顯微鏡技術，他們是全世界第一次看到細胞質胞內體吞進去含mRNA的奈米顆粒，同時還觀察到 mRNA 逃逸兩層膜的整個過程，非常精采，像武俠片劇情一樣。
▲現在科技讓專家觀察到，細胞質胞內體吞進去含mRNA的奈米顆粒。（示意圖／123RF）
整體而言，由於被包在脂質奈米顆粒中的mRNA，要先跑出奈米顆粒，然後再從胞內體（亦即隔離艙中）逃逸到細胞質，通過兩層膜的關卡，成功的機率其實非常低，所以目前用於 mRNA的疫苗或治療的遞送系統需要給予較高劑量，但是，當科學家們藉由進一步的觀察，更加了解 mRNA 的動向以及它如何逃離胞內體的詳細過程後，我們就能夠開發出更好的載體，以較低的劑量實現更有效率的遞送，如此一來，不僅僅是治療效果可以大大的增加，同時也可以降低副作用，讀者以為如何呢?
註1：馬克斯普朗克分子細胞生物學和遺傳學研究所（MPI-CBG）是指由馬克斯·普朗克學會運作的許多研究所之一，截至2019年1月，全世界總共有86家，大部分位於德國，少數位於歐洲其他國家和美國，運作財源主要是由德國聯邦政府科研部及在地邦政府各出資一半。
Journal Reference：
1. P Paramasivam, C Franke, M Stöter, A Höijer, S Bartesaghi, A Sabirsh, L Lindfors, MY Arteta, A Dahlén, A Bak, S Andersson, Y Kalaidzidis, M Bickle, M Zerial. Endosomal escape of delivered mRNA from endosomal recycling tubules visualized at the nanoscale. Journal of Cell Biology, 2022; 221 (2) DOI: 10.1083/jcb.202110137
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