科技創新「疫」轉乾坤｜星島教室

2023-10-05 15:46

數年前新冠疫情來勢洶洶，人類的應變能力面對史無前例的巨大考驗。幸得生物科技為人類帶來疫苗及核酸測試等重要發明，大大增強了人類抵抗病毒的能力。本文將與各位讀者分享有關「COVID-19疫苗」，即「mRNA疫苗」的原理。近年來，分子生物學家徹底改變開發疫苗的方法，為預防疾病的技術發展另闢新徑。本文將探討GFP-RNA、脂質體和脂質納米顆粒在mRNA疫苗中的應用。

mRNA疫苗：疾病預防新領域

與依賴滅活病原體或蛋白質抗原的傳統疫苗不同，mRNA疫苗利用人體自身的細胞機制來產生病毒蛋白質。通過引入編碼特定病毒抗原的RNA，宿主細胞便能夠產生所需的病毒蛋白，啟動強大的免疫反應。mRNA疫苗的優點之一是其多功能性。它們可以根據目標病毒的基因組信息，輕鬆合成信使RNA（mRNA）序列，因此開發速度相對較快。此外，mRNA疫苗的安全性比傳統疫苗高。第一，它們沒有可能致病的活病毒顆粒；再者，mRNA在蛋白質產生後會迅速降解，不會整合到細胞的DNA中。

近年來，mRNA疫苗在預防病毒和細菌引起的傳染病，例如流感、寨卡病毒、HIV，以及COVID-19等方面已展現強大的優勢。mRNA疫苗亦廣泛應用在癌症治療中。通過編碼腫瘤特異性抗原，mRNA疫苗亦可以刺激免疫系統識別和標靶式攻擊特定癌細胞。這些疫苗在針對各種類型癌症（包括黑色素瘤、乳腺癌和肺癌）的臨牀試驗中，均顯示出良好的治療效果。

本校同學進行生物科技實驗的情況。

GFP-RNA：基因表達分析工具

綠色熒光蛋白（GFP）是生物科技研究中廣泛使用的工具。它是一種從發光水母中分離出來的蛋白質，當暴露於藍色或紫外線時，會表現出明亮的綠色熒光。在實驗室中，GFP通常用作視覺標記，藉以追蹤目標基因的表達和定位（下圖）。

通過將GFP與目標基因融合，研究人員便可以在熒光顯微鏡下，觀察活細胞或生物體中GFP產生的熒光信號，令實驗人員能夠實時研究目標基因的表達、蛋白質生成和細胞的動態。

本校的生物科技實驗室快將落成，當中配備大學實驗室級別的儀器，學生可以通過運用體外細胞基因轉移技術，把目標基因及GFP基因加入細胞中。在熒光顯微鏡下，學生便可觀察目標基因在細胞中被激活的過程。

GFP-RNA是指編碼GFP蛋白的RNA分子。將GFP-RNA納入mRNA疫苗，使科學家能夠實時監測病毒蛋白，了解疫苗的狀況。這些信息有助於優化疫苗設計、劑量和配藥方式。

在活細胞中加入GFP基因，並用熒光顯微鏡觀測。

脂質體：高效的遞送載體

脂質體及脂質納米顆粒（下圖）是由脂質雙分子層組成的小泡囊，成為疫苗的載體。在mRNA疫苗中，它們能夠保護RNA免於降解和促進其進入目標細胞。RNA是一種脆弱的分子，很容易被細胞外環境中存在的酶降解。脂質體和脂質納米顆粒封裝RNA，形成保護性脂質雙分子層，使其免受酶促降解。這種封裝令mRNA疫苗能夠在體內長時間停留，從而保持其完整性，進入細胞。此外，脂質體可以促進mRNA疫苗被細胞攝取，脂質體的脂質雙分子層的組成與細胞膜相似，使其與細胞表面相容，有助加強融合，促進封裝的RNA進入細胞質。

GFP-RNA、脂質體和脂質納米顆粒彼此配合，在mRNA疫苗科技領域上產生協同效應。這協同組合既能夠實時監測蛋白質表達，亦可增強RNA穩定性，使疫苗高效、有針對性地遞送至宿主細胞。隨着mRNA疫苗領域的不斷發展，以及防範將來病毒再次來襲，人類需要進一步探索，進而優化技術，精益求精。在中學引入生物科技課程，盼令莘莘學子領先涉獵相關知識，將來在人類與病毒的戰役中出一分力，發一分光。

小思考，大智慧

1. mRNA疫苗可以幫助治療甚麼類型的疾病？
2. GFP-RNA、脂質體和脂質納米顆粒如何能夠促進mRNA疫苗中的應用？

參考答案

1. 流感、寨卡病毒、HIV、COVID-19，以及癌症。
2. 三者都能實時監測蛋白質表達，亦可增強RNA穩定性，使疫苗高效、有針對性地遞送至宿主細胞。

新冠疫苗始祖奪諾貝爾醫學獎

2023年諾貝爾醫學獎殊榮，由匈牙利生物化學家考里科（Katalin Karik）與美國醫學專家韋斯曼（Drew Weissman）共同摘下桂冠，以表揚二人對信使核糖核酸（mRNA）的研究成果。早於1990年代初期，科學家已嘗試以離體轉錄的mRNA進行動物測試，藉此探討以此作為疫苗的可行性。然而，mRNA激活宿主的炎症反應，以致無法在醫學領域上大派用場。後來兩位教授將mRNA內的「尿苷」轉換為「偽尿苷」，成功消除mRNA產生的炎症反應。二人早於2005年發表有關研究成果，即2019冠狀病毒大流行的15年前。兩位教授在mRNA技術的發現，亦為疫苗提供重要的技術研發基礎，大大增強了人類抵抗病毒的能力。

文：九龍真光中學生物科科主任陳鈞偉

本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。