【mRNA疫苗臨床試驗95%有效! mRNA疫苗會是COVID-19的救世主嗎?】:發表在新英格蘭醫學期刊(NEJM)上的兩篇論文提到【註1】,兩個mRNA疫苗臨床研究分別收案3萬多人與4萬多人,在打完疫苗之後的兩個月追蹤當中,施打疫苗讓COVID-19感染率減少了95%!【註3】
在本文開始前,在此先簡述說明一下「分子生物學的中心法則」,建立對DNA、RNA、mRNA的基礎認識。
■分子生物學的中心法則 (central dogma)(圖1)
用最簡單最直接的方式來描述的話,生物體的遺傳訊息是儲存在細胞核的DNA中,每次細胞分裂時,DNA可以複製自己 (replication),因而確保每一代的細胞都帶有同樣數量的DNA。
而當細胞需要表現某個基因時,會將DNA的訊息轉錄 (transcribe) 到RNA上頭,再由RNA轉譯 (translate) 到蛋白質,而由蛋白質執行身體所需要的功能。這也就是所謂的分子生物學的中心法則 (central dogma)。
對於最終會製造成蛋白質的基因來說,RNA是扮演了中繼的角色,也就是說遺傳訊息本來儲存在 DNA 上頭,然後經過信使 RNA (messenger RNA, mRNA) 的接棒,最後在把這個訊息傳下去,製造出蛋白質。【註4】
■冠狀病毒的基因組由RNA構成
RNA不如DNA穩定,複製過程容易出錯,因此一般RNA病毒的基因組都不大。但冠狀病毒鶴立雞群,基因組幾乎是其他RNA病毒的三倍長,是所有RNA病毒中最大、最複雜的種類。
冠狀病毒還能以重組RNA的方式,相當頻繁地產生變異,但是基因組中位在最前端的RNA序列相對穩定,因為其中有掌控病毒蛋白酶與RNA聚合酶的基因,一旦發生變異,冠狀病毒很可能無法繼續繁衍。
目前抗病毒藥物的研發策略之一,正是設法抑制病毒RNA複製酶(RdRp)。而最前端的RNA序列也是現階段以反轉錄聚合酶連鎖反應(RT-PCR)檢驗新冠病毒時鎖定的目標。中央研究院院士賴明詔表示,不同病毒的核酸序列當中還是有各自的獨特變異,正好用來區分是哪一種冠狀病毒。【註5】
■SARS-CoV-2是具有3萬個鹼基的RNA病毒
中國科學院的《國家科學評論》(National Science Review)期刊【註2】,2020年3月發表《關於SARS-CoV-2的起源和持續進化》論文指出,現已發生149個突變點,並演化出L、S亞型。
病毒會變異的原因可略分成兩種:
▶一是「自然演變」
冠狀病毒是RNA病毒,複製精準度不如DNA病毒精準度高,只要出現複製誤差,就是變異。
▶二是「演化壓力」
當病毒遇到抗體攻擊,就會想辦法朝有抗藥性的方向演變,找出生存之道。【註6】
■mRNA 疫苗是一種新型預防傳染病的疫苗
近期,美國莫德納生物技術公司(Moderna)與輝瑞公司(Pfizer),皆相繼宣布其COVID-19 mRNA疫苗的研究成果。
莫德納公司在2020年11月30日宣布他們的mRNA-1273疫苗在三期臨床試驗達到94.1%(p<0.0001)的超高保護力,受試者中約四成為高風險族群(患糖尿病或心臟病等),7000人為高齡族群(65歲以上),另也包含拉丁裔與非裔族群(報告中未提到亞洲裔)。
傳統大藥廠輝瑞公司,亦在美國時間11月18日發佈令人振奮的新聞稿:他們的RNA疫苗(BNT162b2)三期臨床試驗已達設定終點,保護力高達95%(p<0.0001)。該試驗包含了4萬名受試者,其中約有四成受試者為中高齡族群(56~85歲),而亞洲裔受試者約占5%。
■mRNA疫苗為什麼可以對抗病毒?
為什麼mRNA疫苗會有用?就讓我們先從疫苗的原理「讓白血球以為有外來入侵者談起」。
在過往,疫苗策略大致上可分為兩種:
● 將病毒的屍體直接送入人體,如最早的天花疫苗(牛痘,cowpox)、小兒麻痺疫苗(沙克疫苗,polio vaccines)、肺結核疫苗(卡介苗,Bacillus Calmette-Guérin, BCG)以及流感疫苗等。
✎補正
卡介苗 BCG(Bacillus Calmette-Guerin vaccine) :卡介苗是一種牛的分枝桿菌所製成的活性疫苗,經減毒後注入人體,可產生對結核病的抵抗力,一般對初期症候的預防效果約85%,主要可避免造成結核性腦膜炎等嚴重併發症。
▶以流感疫苗為例,科學家通常先讓病毒在雞胚胎大量繁殖後,再將其殺死,也有部分藥廠會再去除病毒屍體上的外套膜(envelope),進一步降低疫苗對人體可能產生的副作用後,再製成疫苗。
● 將病毒的蛋白質面具,裝在另一隻無害的病毒上再送入人體,如伊波拉病毒(Ebola virus disease, EVD)疫苗等。
▶以伊波拉病毒疫苗為例,科學家會剪下伊波拉病毒特定的醣蛋白(glycoproteins)基因,置換入砲彈病毒(Rhabdoviridae)的基因組中,使砲彈病毒長出伊波拉病毒的醣蛋白面具。
上述例子都是將致命病毒的部分殘肢送入人體,當病毒被樹突細胞(dendritic cells)或巨噬細胞(macrophages)等抗原呈現細胞(antigen-presenting cell, APC)吃掉後,再由細胞將病毒殘肢吐出給其他白血球,進而活化整個免疫系統,然而,mRNA疫苗採取了更奇詭的路數 - 「讓人體細胞自己生產病毒殘肢!」
■mRNA 疫苗設計原理(圖2)
將人工設計好可轉譯出病毒蛋白質片段的mRNA,包裹於奈米脂質顆粒中,送入淋巴結組織內,奈米脂質顆粒會在細胞中釋出RNA,使人體細胞能自行產出病毒蛋白質片段,呈現給其他白血球,活化整個免疫系統。
■mRNA疫苗設計流程(圖3)
1「科學家獲得病毒的全基因序列」
因社群媒體的發達、公衛專家、病毒研究者以及期刊編輯的努力,這次的COVID-19病毒序列很快的被發表;中國北京疾病管制局的研究團隊,挑選了九位患者,其中有八位,都有前往華南海鮮市場的病史,並從這些患者採取了呼吸道分泌物的檢體,運用次世代定序 (NGS,Next Generation Sequencing) 的方式,拼湊出新型冠狀病毒全部與部分的基因序列。並陸續將這些序列資料,提供給全世界的病毒研究者交互確認,修正序列的錯誤。
2「解析病毒基因群裡所有的功能,選定目標蛋白質(Covid-19病毒棘蛋白質)」
以冠狀病毒為例,通常會選病毒表面的棘狀蛋白(spike protein)。因為棘蛋白分布於病毒表面,可作為白血球的辨識目標,同時病毒需透過棘蛋白和人體細胞受體(receptor)結合,進而撬開人體細胞,因此以病毒繁殖的策略而言,此處的蛋白質結構較穩定。
3「製造要送入人體的mRNA,挑選出會製造棘蛋白的mRNA進行修飾」
挑選會轉譯(translation)出目標蛋白質的mRNA,並進行各項修飾,以提高該人工mRNA在細胞裡被轉譯成蛋白質的效率。如:輝瑞的mRNA疫苗(BNT162b1)選用甲基化(methylation)後的偽尿嘧啶(1-methyl-pseudouridine)取代mRNA裡的原始尿嘧啶(uracil, U),有助於提升mRNA的穩定性,並提高mRNA被轉譯成病毒棘蛋白的效率。
4「將人工mRNA裹入特殊載體,將mRNA包裹入特殊載體顆粒中」
因為mRNA相當脆弱且容易被分解,因此需要對載體進行包裹和保護。然而,有了載體後,接踵而來的問題是「該怎麼送到正確的位置(淋巴結)?」。而輝瑞和莫德納不約而同地都選用了奈米脂質顆粒(lipid nanoparticles)包裹mRNA載體,奈米脂質顆粒通常由帶電荷的脂質(lipid)、膽固醇(cholesterol)或聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)修飾過的脂質等組成,可以保護RNA,並將mRNA送到抗原呈現細胞豐富的淋巴結組織。
5「包覆mRNA的奈米脂質顆粒,注射在肌肉組織」
使其能循環到淋巴結,被淋巴結中的細胞吃掉。奈米脂質顆粒釋放出mRNA,使細胞產出病毒蛋白質片段,進而呈現給其他白血球並活化整個免疫系統。【註7】
mRNA可將特定蛋白質的製造指示送至細胞核糖體(ribosomes)進行生產。mRNA 疫苗會將能製造新冠病毒棘狀蛋白的 mRNA 送至人體內,並不斷製造棘狀蛋白,藉此驅動免疫系統攻擊與記憶此類病毒蛋白,增加人體對新冠病毒的免疫力,最終 mRNA 將被細胞捨棄。
值得注意的是,由於 mRNA 疫苗並無攜帶所有能製造新冠病毒的核酸(nucleic acid),且不會進入人體細胞核,所以施打疫苗無法使人感染新冠病毒。
Pfizer、BioNTech 研發的 BNT162b2 是美國第 1 個取得 EUA 的 mRNA 疫苗,施打對象除成年人,還包含 16 歲以上非成年人。且相比 Moderna 製造的 mRNA-1273 疫苗,患者施打第 2 劑 BNT162b2 的副作用較輕微。
Moderna 也不遑多讓,mRNA-1273 於 2020 年 12 月中取得 EUA,且具備在 -20°C 儲存超過 30 天的優勢。在臨床試驗中,使用 mRNA-1273 的 196 位受試者皆無演變成重度 COVID-19,相較安慰劑組中卻有 30 人最終被標為重度 COVID-19 患者。【註8】
為了觸發免疫反應,許多疫苗會將一種減弱或滅活的細菌注入我們體內。mRNA疫苗並非如此。相反,該疫苗教會我們的細胞如何製造出一種蛋白質,甚至一種蛋白質片段,從而觸發我們體內的免疫反應。如果真正的病毒進入我們的身體,這種產生抗體的免疫反應可以保護我們免受感染。【註9】
【Reference】
▶DNA的英文全名是Deoxyribonucleic acid,中文翻譯為【去氧核糖核酸】
▶RNA 的英文全名是 Ribonucleic acid,中文翻譯為【核糖核酸】。
1.來源
➤➤資料
∎【註1】
Baden LR, El Sahly HM, Essink B, et al. Efficacy and Safety of the mRNA-1273 SARS-CoV-2 Vaccine. N Engl J Med. 2020 Dec 30:NEJMoa2035389. doi: 10.1056/NEJMoa2035389. Epub ahead of print. PMID: 33378609; PMCID: PMC7787219.
https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa2035389
Polack FP, Thomas SJ, Kitchin N, et al. Safety and Efficacy of the BNT162b2 mRNA Covid-19 Vaccine. N Engl J Med. 2020 Dec 31;383(27):2603-2615. doi: 10.1056/NEJMoa2034577. Epub 2020 Dec 10. PMID: 33301246; PMCID: PMC7745181.
https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa2034577
∎【註2】
Xiaoman Wei, Xiang Li, Jie Cui, Evolutionary perspectives on novel coronaviruses identified in pneumonia cases in China, National Science Review, Volume 7, Issue 2, February 2020, Pages 239–242, https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa009
∎【註3】
▶蘇一峰 醫師:https://www.facebook.com/bsbipoke
▶中時新聞網 「mRNA疫苗臨床試驗95%有效 醫:哪國搶到就能結束比賽」:
https://www.chinatimes.com/realtimenews/20210104004141-260405?chdtv
∎【註4】
( 台大醫院 National Taiwan University Hospital-基因分子診斷實驗室)「DNA、RNA 以及蛋白質」:https://www.ntuh.gov.tw/gene-lab-mollab/Fpage.action?muid=4034&fid=3852
∎【註5】
《科學人》粉絲團 - 「新冠病毒知多少?」:https://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?id=4665
∎【註6】
(報導者 The Reporter)【肺炎疫情關鍵問答】科學解惑 - 10個「為什麼」,看懂COVID-19病毒特性與防疫策略:https://www.twreporter.org/a/covid-19-ten-facts-ver-2
∎【註7】
科學月刊 Science Monthly - 「讓免疫系統再次偉大!mRNA疫苗會是COVID-19的救世主嗎?」:https://www.scimonth.com.tw/tw/article/show.aspx?num=4823&page=1
∎【註8】
GeneOnline 基因線上 「4 大 COVID-19 疫苗大解密!」 :https://geneonline.news/index.php/2021/01/04/4-covid-vaccine/
∎【註9】
(CDC)了解mRNA COVID-19疫苗
https://chinese.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/vaccines/different-vaccines/mrna.html
➤➤照片
∎【註4】:
圖1、分子生物學中心法則
∎【註7】:
圖2:mRNA 疫苗設計原理
圖3:mRNA 疫苗設計流程圖
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我一直對於學習感到非常大的興趣,但學校的教育並不能滿足我,我在學校求學的不同階段,其實都有著不同的掙扎。我任性的用我自己想要的方式學習,一路走來雖然跌跌撞撞,因此對於學習有了深刻的體會。
我的父母非常重視我的教育,因此在國小國中的時候,幾乎每天下課後都還有才藝班的課要上。我曾經上過的才藝班有書法、作文、英文、畫畫、音樂、鋼琴。這些課主要是爸媽覺得我應該去上而幫我做出選擇的,我的個性也算是順從,都乖乖的去上這些課,也盡量花時間練習。小時候心裡難免會羨慕有很多時間可以玩耍的同學,因為相較之下,我在做的事情不是那麼有趣。除了這些才藝班的課之外,我爸媽還想盡辦法鼓勵我念書。我爸媽不太給我買玩具,倒是書買了一大堆,牛頓,科學小百科,偉人傳記,大英百科全書,世界美術館全集等等。每唸完一本課外書,我會得到五塊錢的零用錢。
因為國小國中的時候,都被規畫好要學甚麼了,在進到建中這麼自由的地方,我覺得我好像頓時失去了目標。我不清楚人生的方向,也無法認同學校教育以及考試的價值,我無法理解為什麼考試考高分就代表成功,就代表人生的成就。在高二的時候,我常翹課去打撞球,鬼混,也花了非常多的時間在社團活動上,但對於學校的課業就是提不起興趣。我記得我高三有一次模擬考,排名是全校九百多名,我們一整個年級也不過比一千人多一些些。雖然學校的課程無法引起我的興趣,但我卻對生物學深深地著迷。我考進了中研院的高中生物人才培育計畫,每兩個禮拜的周日到中研院去,早上上課,下午到實驗室做實驗。參與這個計畫對我有非常深遠的影響。從動物生理學、植物生理學、細胞生理學、到分子生物學,我廣泛學習生物的知識。下午的實驗課也讓充滿好奇心的我大開眼界。我看到跟臉盆一樣大的椰子蟹,解剖跟手掌一樣大的文蛤觀察內臟,學習PCR技術,學習萃取葉綠素,也看到費洛蒙如何讓一整箱蟑螂瘋狂振翅。這個培育計畫讓我深深的愛上生物學。我從中研院借了很多英文教科書回家,也常到台大醫學院的圖書館去印研究論文來看。我高三的狀態,應該用著魔來形容。我因為想要參加生物奧林匹亞競賽,瘋狂的請公假到重慶南路的漢堡王去K書。當年我的導師對我的寬容,現在想起來簡直不可思議。我記得有一次她把我叫到辦公室去,她問我知不知道我自己在做什麼,我說我知道(回頭看,其實我並不是這麼肯定…),她就相信我,讓我依照我的心意去學習了。我花很多時間研究Kreb’s Cycle, Signaling pathways, 粒線體以及葉綠體的電子傳遞鏈,DNA複製的分子機制 (我甚至買了Arthur Kornberg著作的DNA Replication)。好笑的是,我雖然花了這麼多時間學習生物學,但高中生物教材無法引起我的興趣,我在學校的生物學考試成績並不算頂尖,許多對於生物學並沒有特別的熱情的同學考試分數是比我高的。後來我考進了生物奧林匹亞國手培訓營,但是因為我平常沒有機會練習生物實驗,實驗的技術不是很好,最後沒有選上國手。這件事情讓我耿耿於懷許多年,因為我把我高中升大學的希望都寄託在奧林匹亞競賽上,我花了這麼多時間學習卻沒選上,我覺得我的人生失敗了。因為我把高三的時間大多都花在學習生物學上了,國手培訓營後已經沒有多少時間再準備聯考,而且我還處在挫敗的陰影當中,我第一次大學聯考的成績很差。後來我在重考班再準備了一年,才考進了台大醫科。
當年的我以為高中這段的學習經驗是失敗的,覺得這是不自量力的行為。但我現在意識到,高中那段學習歷程對我來說,是最重要的,第一次自我啟蒙的經驗。建中自由的風氣,再加上導師的信任以及家人的包容,讓我有機會充分的探索我的興趣並且積極的去追求。我被考試的框架侷限了,以為沒有選上國手,沒有得到金牌就是失敗。但其實我在高中時就養成了查找以及閱讀科學研究論文的習慣,並且開始培養獲取陌生學術領域知識的能力。我在高中所培養的閱讀英文教科書的習慣,也讓我日後受用無窮。
我在醫學系的學習歷程比較沒有這麼劇烈的掙扎,頂多在前四年的時間懷疑為何要死背大量的知識。醫學系要背誦的知識量實在是太大,常常讓我感到心煩,有種唸到想吐的感覺。但到了大五進醫院見習之後,我的態度有了一百八十度的大轉變。當病人以及家屬問起病情時,我必須要能清楚地回答他們的問題。當病人有狀況需要處理時,我沒有時間再去查閱書籍,我需要的知識必須要像反射一樣快速的被提取。如果我沒有學好,沒有記清楚,就無法對病患做出最好的處置。因為有了責任感,我充分的理解也認同熟記醫學知識的重要性,因此開始認份認真的念書。我在醫學系唯一一次得到書卷獎,是在臨床工作最繁重的大七的時候。我清楚的感受到,我被賦予越多照顧患的責任,我學得越認真。
我的博士班的學習歷程是最痛苦的一段。博士班雖然是高等教育的一環,但幾乎沒有一個既定的框架。博士班還有一些學分要修,但是並不多。我在博士班修過的課印象都不深,許多課程其實大學都上過了,但偏偏學校不給抵免,非得要我再修一次不可。倒是我自己選的程式設計概論對我的人生造成了非常深遠的影響。博士班絕大部分的時間都是在實驗室度過的,因此博士班導師是影響博士班學習歷程當最重要的一個關鍵。回頭檢視起來,我會離開博士班一個很重要的原因是,我和我的指導教授對於科學研究的一些基本想法並不契合,對我個人來說,發展新技術是我比較喜歡的方向,但我的指導教授認為生物研究應該著重在探討現象背後的原理。簡單來說,我們兩個人重視的點不一樣,我不適合在他的實驗室做研究,我比較適合在生醫工程的博士班就讀。我處在一個不適合的環境裡其實給了我一個意料之外的機會,為了追求我理想中的科學研究,我必須要仰賴自我學習的能力去獲取許多我的實驗室並沒有的知識與技術。
這幾年下來,我對於學習新的知識和技術有了比較清楚的領會。我要學習一個新的領域時,我會先確認學習的目的。對我個人來說,清楚學習的目的之後才能找到學習的動機。純粹為了好玩,一時興起而學習很難持久,也很難達到好的效果。比如說,我學習深度神經網路是為了實現數位病理輔助診斷系統,進而彰顯數位病理系統的價值。確立學習的目的之後,我會開始嘗試了解這個知識領域的大架構,接著試著找到這個知識領域裡面關鍵的基礎假設與原理。比如說,深度神經網路是機器學習的一個分支,我會先學習機器學習領域的大架構,接著了解演算法學習的原理。我會先從最簡單的基礎原理開始,確認完全了解之後,就開始朝我需要學習的子領域學習。在學習的時候可以動手實作非常重要,我很認同諾貝爾獎得主Richard Feynman所說的 “What I cannot create, I don’t understand.” 我動手實做了Perceptron, Multi-layer perceptron, fully connected deep neural network, convolutional network,在這過程中,透過程式的實踐印證我在理論上的學習。總結來說,我對於學習新領域的心得是,要達到有效的學習,首先要清楚學習的目的,接著了解知識體系大架構以及涵蓋的範疇,理解關鍵原理,接著要明確界定學習的目標及範圍,最後是深入的學習、並且反覆透過實踐來檢驗學習成效。同樣重要的是熟悉學習的工具,找到關鍵的資訊管道,這對於提高學習效率至為關鍵。
創業,對我來說又是另外一個自我學習的巨大挑戰。創業是個無邊無際的問題,我目前遇到的最大的挑戰在於,我還無法清楚的界定我所需要學習的知識及技術的領域,更遑論去了解其架構。當然,這問題的核心在於,創業的過程本身就無法清楚界定。試著要去找出一個清楚的脈絡,我認為是極其困難的。我認為創業比較像是一個戰爭。我們可以清楚觀察並理解的,是每個小戰役的樣貌。試著贏得一個戰役,帶著在這個戰役學習到的經驗,前往下一個戰場,才有機會逐漸拼湊出這個戰爭的大局。在這過程當中,創業家必須要既短視又有遠見,要可以讓公司贏得一個戰役,但是又要預見下一個戰場並且做好準備,這樣長短程思考的轉換以及平衡,是個非常艱鉅的挑戰。我想,三年之後我再回頭看,應該會對於這個學習的歷程有更清楚的理解。現在,也就只能帶著我所學到的勇敢前進了。
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2019/11/16 (六)【臨床試驗系列】-醫藥學術專員(Medical Writer)培訓初階班
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【授課大綱】
一、 新藥開發與CRO概述Overview of drug development and CRO
-Objective of clinical trials
-Phases of clinical trail
-Role of CRO in clinical trial
二、 醫藥事務與醫藥學術寫作之介紹Introduction of Medical Affairs / Medical Writing
-Clinical trial process
-Role of MA in different stages of clinical trial
三、 臨床試驗計劃書設計與開發Protocol design and development
-Protocol content of ICH E6
-Study design
-Endpoints considerations
-Patient eligibility
-Study procedure
-Statistical considerations
-Reference & tools
四、 知情同意書設計Informed consent form design
-Human Subject Protection
-受試者的知情同意與內涵
-受試者同意書內容
-受試者同意書寫作建議
五、 臨床試驗報告之準備Clinical study report preparation
-Report content of ICH E3
-Report sample template
-Reference & tools
六、 醫藥學術文稿的準備與出版Manuscript preparation and publication
-Manuscript IMRAD scheme
-Tips for manuscript writing
-Article submission and publication
七、 MedDRA的不良事件編碼Adverse event coding by MedDRA
-Introduction of MedDRA
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主要經歷:
台塑生醫科技股份有限公司 臨床試驗事業部 業務開發專員
台塑生醫科技股份有限公司 臨床試驗事業部 專案經理
台塑生醫科技股份有限公司 臨床試驗事業部 醫藥學術專員
ICH國際醫學用語詞典(MedDRA)認證編碼師
其他經歷:
中華民國醫事檢驗師
國立台灣大學醫學院生物化學暨分子生物學研究所
國立陽明大學生物醫學工程學院醫學生物技術暨檢驗學系畢
專長:
臨床試驗設計與規劃
受試者同意書(informed consent form)設計
受試者個案報告書(case report form)設計與製作
臨床試驗管理
藥物安全資料審核與編碼
臨床試驗報告撰寫
研究成果發表
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