催化剂和催化的变革作用

从面包烘焙到造纸，数千年来人类一直在不知不觉中利用催化的力量。 事实上，我们日常生活中的几乎所有东西都是通过催化过程产生而来。 催化剂是指通过降低反应发生所需的活化能来促进化学反应的物质。 催化剂提高了反应速率，而不会在这个过程中被消耗或永久改变。 从燃料和杀虫剂到救命药物的开发，催化剂的独特特性使其在无数至关重要的现实世界应用中不可或缺。

例如，最著名的催化反应之一“哈伯博施法” (Haber-Bosch process)，用于在工业规模上生产肥料和农业用氨。 使用催化剂大大降低了成本，加快了氨的生产。 直到现在，哈伯博施法仍是氨的主要生产方法。

另一个例子是汽车的催化转换器，该设备使用铂、钯或铑将碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物等有毒化合物的排放减少了 90%。

催化在可持续化学中的作用

虽然可持续发展听起来像是最近的流行语，但自 1987 年联合国发布《我们共同的未来》(Our Common Future) 以来，可持续的环境实践已被坚定地提上议程。 这份开创性报告列出了当今人们普遍理解的可持续发展指导原则，将这一概念定义为“既能满足当代人的需求，又不损害后代人满足其需求的能力的发展”。这一定义概括了在所有制造产品中实施可持续性的重要性。

人们对可持续性日益重视，由此引发了一场向可持续化学或“绿色”化学的变革运动，彻底改变了产品和工艺的设计方式。 这一创新办法旨在提高化学生产中自然资源的利用效率。 实现这一目标的三个关键途径是：最大限度减少能源消耗、采用环境友好型化学品和有效管理材料生命周期。 通过这些方法，可持续化学正在为更环保、更节约资源的未来铺平道路。

催化剂在我们追求可持续实践方面发挥着关键作用，为实现目标提供了宝贵的工具。 它们促成了生物可降解塑料的诞生，减少了人们对有害材料的依赖。 此外，在燃料和化肥生产、优化效率以及最大限度减少浪费方面，催化剂也发挥着重要作用。 利用催化的力量，我们能够在各个领域取得非凡成就，同时将可持续发展作为指导原则。

随着催化剂需求的激增，人们对环保产品的呼声也越来越高，希望解决可持续能源生产、减少工业排放和应对气候变化等问题。 利用来自 CAS 内容合集™的数据，我们有望探索可持续催化剂研究的当前研究趋势，重点强调该领域的关键进展。

提高催化剂的可持续性

由于拥有高稳定性和耐温性等理想的催化特性，铂、钯和铱等贵金属得到了广泛的使用。 此外，此类贵金属还可用于促进一系列广泛的化学反应，包括 Sonogashira 偶联反应、Suzuki-Miyaura 偶联反应和 Heck 反应。

然而，贵金属的实用性受到其高昂成本和有限供应的阻碍。 这些贵金属主要提取自大量低品位矿石，即使是少量矿石也需要大量的开采工作。 这种提取过程不仅需要大量的能源投入，还会造成潜在环境危害。 因此，在催化应用中使用贵金属必须仔细权衡这种做法对环境的影响和可持续性。

贵金属的经济和环境成本所带来的限制，加上全球对催化剂的需求不断增长，促使研究人员探索替代方案，特别是钛、铁、钴和镍等非贵重过渡金属。 与贵金属相比，非贵重过渡金属兼具多个优点。 首先，这类金属储量更充足，可确保催化应用的可持续供应。 此外，非贵重过渡金属更具成本效益，使其成为经济上可行的选择。 再者，此类金属毒性较低，可减少生产和应用中的潜在危害。 重要的是，这些金属对环境无害，最大限度减少了对生态的不利影响。

尽管非贵金属是一种颇具前景的替代品，但它们并非没有自己所面临的挑战，承认这一点具有重要意义。 非贵金属通常比贵金属更具反应性；这种反应性可能会导致催化剂降解（降低其耐用性）和催化活性选择性降低（导致产生副产品、废物并降低工艺效率）。 此外，非贵金属的表征可能会非常复杂苛刻（表 1）。

尽管如此，非贵金属可持续催化剂的开发正逐渐得到认可。 来自 CAS 内容合集的洞察显示，2012 至 2022 年间，非贵金属催化剂/催化的出版物大幅增加（图 1）。

催化技术与进展

在过去数十年中，人们针对现实世界中的重要应用开发了一系列专用催化剂。 此类催化剂大致可分为四个子类别：电催化剂、光催化剂、均相催化剂和生物催化剂（或酶）。

CAS 内容合集的数据显示，在使用非贵金属催化剂的可持续化学领域，与电催化剂相关的出版物占主导地位（图 2 和图 3）。 电催化剂可作为电极或电极表面的催化材料参与电化学反应。 传统上，铂一直在电催化领域得到广泛应用。 然而，铂的有限供应和高昂成本促使研究人员探索替代品。 其中值得注意的一项示例是氮掺杂石墨烯负载钴原子的使用，这种方法已被证明是一种高效持久的催化剂，用于从水中产生氢。 这种方法向用于能源生产的低成本催化剂迈出了重要一步。

光催化是指半导体材料吸收光能并产生电子空穴对，从而推动还原和氧化反应的过程。 光催化对于解决能源和环境问题具有重要意义，如水裂解制氢和污染物分解等（图 4）。 然而，人们目前正在面临一项重大的研究挑战，即找到能够仅利用太阳能进行水裂解的非贵金属半导体材料。 这一领域正在探索多种策略，包括使用共催化剂或多组分纳米集成。

由于具备高活性、稳定性和多功能性，铂和钯等贵金属在均相催化中同样占据主导地位。 然而，在均相催化剂中寻找贵金属替代品是研究人员面临的一项复杂且持续的挑战。 这些催化剂促进的一大关键反应是 Sukuzi 偶联反应。 著名的是，作者在报告中声称证明了无钯 Suzuki 偶联反应，但后来经证明是由低水平的钯污染物催化而成。 然而，在这一领域，使用自由基反应引发剂（如碘、曙红和四丁基碘化铵等）非常具有前景（图 5）。

生物催化剂是以酶为基础的催化剂，同时也是绿色和可持续催化剂的杰出典范。 生物催化剂由现成的可再生原料制成，具有有机、可生物降解、无毒等特点，并能在温和的反应条件下发挥作用。 生物催化剂的一大关键潜在应用是通过脂肪酸与甲醇的酯交换反应，从植物油脂中可持续地生成生物燃料。 该反应可产生生物柴油（脂肪酸甲酯）和甘油副产品（图 6）。 此外，将生物催化剂与金属催化剂相结合也是一种新兴方法，可实现有价值分子生产的可持续性。

催化剂的变革

在联合国气候变化大会 (COP27) 和联合国生物多样性大会 (COP15) 之后，企业承诺采用更可持续做法的情况明显增多。 由于催化剂在化学工业中仍然不可或缺，人们探索新型催化概念的动力与日俱增，致力于提高必需品的生产效率和可持续性。 认识到这一需求，美国能源部已做出专门承诺，支持开展催化剂基础研究。

过去十年间，可持续催化剂研究取得了长足进步，表明人们对环保型解决方案的追求现已深入人心。 虽然这一市场的全部潜力仍有待发挥，但我们预计，非贵金属催化剂在有机物、无机物和生物基物质等不同领域将大有可为。

如需进一步了解可持续催化领域的未来，诚邀您阅读我们近期在《ChemRxV》上发表的文章。

最大限度提高数字化投资回报率：制药企业面临的挑战

平均而言，制药公司需要花费 10 到 15 年时间来开发、验证和营销一种新产品。 然而，最近的 COVID-19 疫情和成功快速的 mRNA 疫苗开发彰显出数字化工具在加速流程方面的潜力。 这一重大事件加深了制药行业对数字化转型和在其流程中实施认知工具的兴趣。 然而，实现数字化可能兼具复杂性和困难性。

约 55% 的制药公司表示在一定程度上使用了数字技术。 然而，由于缺乏知识管理方面的专业知识和数字工具的使用经验，这项明智举措往往会变成一项有待商榷的投资。 大约 70% 的数字化项目都以失败告终，因此制药公司需要重新评估数字化资金的投资方向，优化部署策略，以释放竞争优势，生产出改变人生的药品。

通过深入了解强大的知识管理、认知工具及其之间如何相互结合，制药公司可以彻底改变其各个层面的流程，并孕育出更好的全球医疗保健。

数字化和知识管理：促进全公司数据访问，加速创新

制药公司会产生大量信息，从成分信息、配方和临床试验数据到加工时间、生产和质量控制报告。 如果使用现有的传统信息源和孤岛式数据库，这些新文件很快就会堆积如山，给检索和查询带来挑战。 由于缺乏结构性和协调性，过去的实验结果在“暗数据”领域有所欠缺，估计占企业所有知识的 55%。

如果无法方便地跨部门访问历史数据，制药公司很可能会重复以前的错误，或是调查已有答案的问题。 要加快创新并大幅缩短产品上市时间，数字化是关键。

制药公司正在将实验室期刊、数据集和报告等历史文件转化为互联知识管理平台中的可检索资产。 这样，整个组织内的个人都可以访问成分级信息、供应商详情、监管指南以及其他科学和商业情报。 这些公司还进一步引入在线用户界面，将不同部门和地区的团队连接起来。

通过缜密思考的数字化，制药公司可以进一步促进、简化和扩大研发、生产和商业化，同时促进跨学科工作与国际合作。

简化药物开发：利用认知工具加速治疗创新

数字化时代正在改变制药业，为研究人员提供了革命性的工具，以缩短上市时间并提高安全性。

辉瑞 (Pfizer) 在不到一年的时间内开发出 COVID-19 疫苗，一举成为制药业的中心。 虽然辉瑞公司的员工效率毋庸置疑，但该公司前所未有的反应时间和竞争优势却植根于早在疫情之前就已实施的完善管线之中。 作为数字化战略的先驱，辉瑞深知知识管理、数据分析和人工智能计划对制药行业的变革潜力，并将其纳入日常运营。

凭借数十年的专业知识和研究数据，制药巨头可以将候选药物缩小到最佳、最安全的选择范围。 例如，通过将人工智能驱动的算法与以往临床数据相结合，使研究人员能够利用 COVID-19 罹患率的实时预测模型来设计和监督广泛的临床试验。 知识管理策略和人工智能模型突破了实验室的局限，实现了库存预测和供应链监控，从而简化了疫苗的开发、配送和获取。

通过在整个价值链中部署的强大数据基础和认知工具，辉瑞在 COVID-19 疫苗的竞争中占得先机。 从最初的候选药物选择到治疗监测，认知工具在加速药物开发方面的威力已得到证明。 然而，只有在使用经过预处理、收录和受保护的数据集进行适当训练的情况下，人工智能预测才能充分发挥其功能。 要在制药研发工作流程中启动或优化人工智能，首先必须评估数据和知识管理基础设施的质量。

数字化和数据安全：保护专有信息、患者隐私和研究完整性

通过广泛的药物发现阶段和临床试验，制药行业可以获得关键的生产流程和患者健康信息。 对于竞争对手和不法分子而言，这些信息都是宝贵的数据。 随着网络攻击（几乎每 39 秒一次）和医疗身份盗窃（2019 年为 35%）的增长，在制药行业实施强大的安全策略已刻不容缓。

有报告称，制药公司是网络攻击者的主要目标，53% 的隐私泄露是由恶意活动所致。 机密信息分散在不同部门、平台和软件之中，使得公司在保证数据保护和安全环境方面面临挑战。 实施全组织范围的知识管理界面可以强制执行严格的用户访问控制，同时消除数据泄露。 基于云的协作平台设有安全通道，可供研究人员和临床医生安全共享敏感信息，避免设备损坏的风险，现在这种平台在制药行业越来越普遍。 然而，从传统的孤岛式内部部署解决方案过渡到云平台或定制化混合版本非常复杂，采用速度也很慢。 为了简化向最新知识管理生态系统的过渡，同时保护数据安全，制药公司应寻求具备其领域知识的数字化转型合作伙伴。

制药业的数字化转型

数字化有可能彻底改变制药行业，实现更出色的知识管理、加速创新、提高数据安全性，同时缩短药品上市时间。 然而，考虑不周的数字化转型战略可能会造成资源浪费和风险增加。

随着制药业数字化转型的不断发展，数字技术和认知工具正进入该行业的方方面面，从而加快了药物开发速度，并为越来越多的疾病提供了更多的治疗选择。 数字化转型致力于以可持续、负责任和可访问的方式带来创新的医疗解决方案。

如需了解有关数字化转型和数据管理的更多信息，请查看我们与 CAS 定制服务^SM 合作的案例研究。

化妆台摆满产品、护肤程序冗长的日子已经一去不复返了。 在当今快速发展的社会中，消费者正在寻找能够满足所有需求的“万能”型产品。

踏入多功能化妆品时代。

无论是保湿、抗衰老、祛斑的护肤产品，还是防毛躁、修护头发、沐浴护发膜，消费者对化妆品的要求比以往任何时候都要高。 然而，这种需求给化妆品行业带来了压力，迫使行业不断研制出能一次解决多重问题的产品。

通过跟踪壳聚糖和木质素等多功能成分的最新发展，以及纳米技术等新兴输送系统的应用情况，配方科学家可以继续为这一快速发展的高需求市场提供创新产品。

英雄成分

所谓的“英雄成分”是化妆品行业可以用来配制多功能化妆品的重要工具之一。这些成分同时具备多种功效，配方只需使用少量成分即可解决多种问题。

一些常见的化妆品英雄成分包括：

随着消费者对精简成分表和“清洁化妆品”的兴趣日益浓厚，英雄成分很容易售卖给那些希望用单一成分满足所有化妆护肤需求的人群。 这些成分不仅有助于配方制剂，而且许多均被视为“天然”或“清洁”成分，具有明显的营销优势。

强力补水剂

补水剂是最通用的化妆品成分之一。 这些成分通常能为皮肤、头发和指甲提供水分，可用于开发适用于所有此类用途的多用途产品。 如今，保湿精华液和保湿油在市面上被用作一系列产品的单一替代品，包括护手霜、面部保湿霜、身体保湿霜和护发膜等。

保湿成分不仅能针对身体的多个部位，还能发挥更多作用。 它们可用于多功能化妆品，还具有抗衰老、抗氧化和抗菌功效。 乳木果油和椰子油等植物油是化妆品行业中常见的候选物质。 然而，最新研究现已确定壳聚糖是一种新的竞争者。

壳聚糖可以用于皮肤和头发，起到保湿和保护作用。 人们认为壳聚糖具有以下优点：

• 保湿特性
• 润肤特性
• 抗菌特性
• 皮肤调理
• 紫外线防护
• 抗氧化特性

神奇的抗氧化剂

作为一种具有抗氧化特性的成分，壳聚糖有望加入乳木果油、椰子油、烟酰胺和蜂胶等其他化妆品主成分的行列之中。 每种成分均拥有自己的多功能性，能够在制定具有抗氧化活性的化妆品时创造出一系列可选方案。

近期的另一种抗氧化化妆品候选物质是木质素。 从甘蔗等天然原料中提取的木质素具有明显的抗氧化活性，可用于化妆产品应用。 2023 年的一项研究显示，木质素清除自由基的能力与化妆品标准相同或略强。 该研究还表明，木质素可用作天然化妆品色素和紫外线防护剂，凸显了成为未来英雄成分的潜力。

出色的防晒效果

在紫外线防护方面，木质素的潜力可以说超过了其抗氧化特性。 无论是在体外还是人体志愿者身上，木质素都被证明是一种强有力的紫外线阻隔剂，为未来的紫外线防护多功能化妆品带来了令人兴奋的机会。 随着防晒方面的相关建议越来越多，消费者也在寻找针对其他皮肤问题的 SPF 产品。

另一个研究方向是在防晒霜配方中加入迷迭香酸，经证明该操作可将 SPF 提高 41%，并提升抗氧化特性。 含有 SPF 的多功能化妆品配方面临着一大主要障碍，即任何新成分都不能损害产品的防晒效果，因此对配方科学家而言，像迷迭香酸这样既能提高 SPF 值又能带来其他功效的成分是一个非常令人兴奋的机会。

可观的祛斑治疗效果

祛斑产品往往需要具备多种功能，包括皮肤保湿、伤口愈合和抗氧化特性。 抗炎和抗菌成分可帮助消除痤疮色斑的成因，而伤口愈合和皮肤屏障修复成分则可减少疤痕。 因此，祛斑成分需要在其主要功能范围内提供多功能性。

化妆品行业中使用的抗菌消炎成分种类繁多，配方科学家可根据个人喜好来选取有效成分。 芦荟、金缕梅、水杨酸、过氧化苯甲酰和视黄醇都是常用的祛斑选择，为保湿霜等产品提供抗菌和抗炎特性。

然而，并不仅仅限于英雄成分本身。 创新的成分输送方法可以提高其功效和持久性。 最近，人们研发出一种基于纳米的化妆品祛斑成分递送系统，与皮肤接触即可缓慢释放活性成分，同时还拥有更高的抗菌和抗氧化特性。

终极配方

随着消费者对化妆品的使用越来越少，化妆品行业正面临着一大挑战：需要创造比以往任何时候更先进、更通用的配方制剂。 充分利用英雄成分为化妆品配方注入更多功能，有助于开发人员实现这一目标，让旗下产品在新一轮多功能化妆品浪潮中保持领先地位。

投资壳聚糖和木质素等新兴英雄成分有助于配方科学家推进产品开发，而采用纳米技术的新型输送系统则可以让现有成分实现更多前所未有的功能。 紧跟多功能化妆品的最新研究成果，有望继续支持创新发展，并打破消费者对化妆品的预期界限。

了解我们如何与 Citrine 合作，利用人工智能来预测配方变形，进一步探索 CAS 如何助您打造终极配方。

随着消费者出于个人和健康原因而改变其饮食，以及社会对更具可持续性饮食习惯的推动，植物肉在过去几年里大受欢迎。 该行业的创新之风不断提高肉类替代品的质量，提供了比以往更多的选择，从而催生出竞争激烈的多样化市场。

由于植物肉的可持续性是公众对此类产品兴趣增加的最大驱动因素之一，消费者正在寻找既能减少肉类摄入量，又能降低对环境影响，同时亦不影响其最喜欢的美食体验的替代品。 生产商如何才能提供可持续的优质产品，满足消费者对口味和口感的高要求？

植物基替代品的可持续性如何？

肉类养殖业对环境的负面影响早有记载并为人所知。 畜牧业和肉类养殖业本身所排放的温室气体约占全球温室气体总量的 15%。 预计到 2031 年，此类排放量将增加 9%，因此减少肉类需求的解决方案比以往任何时候都更为关键。

植物肉创新便是其中一项解决方案。 仅就碳排放而言，植物肉类的碳效率是肉类产品的 120 倍。 2021 年的一项最新研究发现，植物肉饼对气候变化造成的负担比牛肉饼小 77%，同时还可减少土地和水资源使用、富营养化和酸化。

对植物肉可持续性的主要批评在于，肉类替代产品的可持续性可能比不上全食物植物性饮食。 尽管争论不无道理，但肉类替代品为肉食者提供了一种比转向全食物植物性饮食更易于实现的行为改变，更容易过渡到可持续解决方案。

做出转变

尽管人们普遍关注气候危机，也了解畜牧业对环境的影响，但许多消费者仍然很难从饮食中减少肉类。 提高可持续发展的愿望往往不足以推动少吃或不吃肉类的行为改变。 植物肉替代品为避开这一难题提供了完美的解决途径。

通过开发口味和口感体验与动物产品相似的植物产品，创新人员可以为消费者带来两全其美的享用机会。 对于生产商而言，瞄准这部分“弹性素食主义者”非常关键，因为那些无意完全过渡到素食的消费者往往会非常追捧肉类替代品。 巴斯大学的一份综述报告指出，90% 的植物肉和乳制品消费者仍将肉类纳入其饮食之中。

消费者正在接受这样一种观念，即他们可以用植物肉替代品取代部分肉类摄入量，以此提高可持续性，但此类产品真的能够实现可持续发展吗？ 研究表明，它们能。 尽管可以实现的变化很小，但却能对环境产生巨大影响。 一项研究发现，只要用豌豆蛋白代替德国 5% 的肉类消费，每年就能减少 800 万吨温室气体排放。

通过这种方式，制造商们正在开辟一条通往更环保未来的康庄大道，也更容易被大多数人采纳。 通过不断创新和提高产品的可持续性，制造商可以吸引消费者关注环保目标，并继续鼓励对植物肉可持续性加大投资力度。

选择植物蛋白

植物蛋白的选择是开发任何新型肉类替代品的核心。 蛋白质来源会影响产品的口感和质地、营养价值以及可持续性，这些都是制造商需要吸引消费者的地方。 消费者需求的大幅增长使得植物蛋白市场的预期价值到 2030 年将达到 1620 亿美元。 这一庞大的产业目前包括可供创新者选择的一系列来源，其中有些来源比其他来源更为成熟，目前和未来的可用来源包括：

大豆、小麦和豌豆蛋白质来源具有成本低、供应量大、营养价值高等优点，因此在行业内率先得到认可。 建立在上述优势的基础上，包括玉米、大米、鹰嘴豆、真菌和油菜籽在内的新一波来源则侧重于增加产品开发的功能性。 这将赋予开发人员更大的控制权，以创造出符合消费者口味和口感的产品。

在此基础上更进一步，藻类和细胞替代品等未来发展路径努力成为最具可持续性的蛋白质来源。 虽然消费者对这些蛋白质的态度仍需改变，但它们具有高度可再生性，对环境的影响极小，从而提高了植物肉的可持续性。

植物肉可持续性的未来

在未来的食品可持续发展领域，植物肉替代品有望发挥重要作用。 肉类替代品是肉食者在不改变饮食习惯的前提下减少动物产品摄入量的简便方法，可以鼓励更多的人减少肉类摄入量，同时对环境产生巨大影响。

这种环境变化取决于企业能否开发出在口味、口感和外观上尽可能接近肉类的诱人产品。随着更多可持续植物蛋白来源的研究取得进展，植物肉可能会越来越受欢迎。 如需了解有关可持续农业和肥料新方法助力减少碳排放的更多信息，请阅读我们有关可持续农业的近期文章。

绿色化学始于绿色催化剂，但这一新兴领域有何最新进展？ 在各个行业、学科和研发实验室中，催化剂都是不可或缺的一环，我们的最新摘要中确定了新的机遇、挑战和创新。 从能源到农业、制药等行业，这可能是提高可持续性指标的关键组成部分。

不断上升的全球癌症负担

受人口老龄化以及癌症主要风险因素的流行和分布变化所推动，全球癌症负担和相关死亡率正在迅速增加。 据预测，2040 年将诊断出 2,840 万癌症病例，较 2020 年增长 47%。

女性乳腺癌已经超过肺癌成为确诊最多的癌症类型，预计到 2020 年将新增 230 万病例 (11.7%)，其次是肺癌 (11.4%)、结直肠癌 (10.0%)、前列腺癌 (7.3%) 和胃癌(5.6%)。 免疫疗法（如检查点抑制剂等）在癌症治疗方面取得了重大进展。 尽管实现了这一突破，但免疫疗法并不是治疗所有癌症的万灵药。 并非所有类型的肿瘤对免疫治疗剂都有反应，耐药机制可能会导致肿瘤的免疫逃逸和生长。

虽然目前美国食品和药物管理局尚未批准任何 mRNA 癌症疫苗，但研究性疫苗 mRNA-4157-P201 (Moderna) 与检查点抑制剂 pembrolizumab（默克公司）联合用于高风险黑色素瘤完全切除术后的辅助治疗已获得突破性疗法认定。 随着 mRNA COVID-19 疫苗取得成功，研究人员相信 mRNA 疫苗技术可用于治疗癌细胞。 那么，我们是否能够将 mRNA 疗法整合到癌症治疗领域呢？

回到原点 — mRNA 疫苗和癌症

对许多人而言，COVID-19 mRNA 疫苗似乎是在一夜之间开发而成。 然而，如果没有多年来针对流感、巨细胞病毒和寨卡病毒疫苗的研究奠定基础，此类疫苗的快速设计、生产和测试工作也就无法付诸实践。

1995 年，一项关键性研究表明，肌肉注射编码癌胚抗原的裸露 RNA 可在小鼠体内引起抗原特异性抗体反应。 次年，另一项研究表明，将经 mRNA 转染的树突状细胞注射到肿瘤小鼠体内可诱导 T 细胞免疫反应，并抑制肿瘤生长。 这项工作为探索基于 mRNA 技术的可行性、有效性和安全性的大量研究铺平了道路。 然而，直到最近，不稳定性、先天免疫原性和体内递送效率低下等问题仍在限制 mRNA 疫苗和治疗应用。 研究人员面临的一项关键挑战是如何将 mRNA 递送至所需前往的位置；如果没有某种形式的保护，注入体内的 mRNA 序列将被识别为外来物质并遭到破坏。

用于治疗新型冠状病毒 SARS-CoV-2 的 mRNA 疫苗迎来快速发展，帮助加快了 mRNA 疫苗从实验室到临床的应用。 例如，辉瑞 BioNTech 和 Moderna 疫苗证明了利用脂质纳米颗粒 (LNP) 将 mRNA 递送到靶细胞的有效性。 2019 年底，在 SARS-CoV-2 疫情的刺激下，与 mRNA 疗法相关的已发表文献和专利申请在全球范围内迅速增加。 2020 年后，论文发表数量呈快速增长趋势，2021 年增至 3,361 篇，2022 年增至近 5,000 篇。 2020 年之后，专利申请数量继续呈上升趋势，2021 年达到 382 件，2022 年预计将增加到 510 件（图 1）。

COVID-19 mRNA 疫苗的成功揭示了 mRNA 平台的潜力，不仅可以扩展到其他传染病，还可适用于癌症。 从病毒研究中获得的见解可能会为癌症疫苗的研究提供信息，我们似乎又回到了原点。

招募免疫系统 — mRNA 癌症疫苗的工作原理

mRNA 在癌症疫苗中的应用非常广泛，研究人员正在探索癌症免疫治疗的多种策略：

• 抗原呈递：mRNA 疫苗将癌症抗原递送至抗原呈递细胞 (APC)，以呈递主要组织相容性复合物 I 类和 II 类。
• 辅助功能：mRNA 通过与 APC 表达的模式识别受体结合来刺激免疫激活。
• 抗原受体：mRNA 将嵌合抗原受体 (CAR) 和 T 细胞受体等抗原受体引入淋巴细胞。
• 蛋白质生产：mRNA 允许免疫调节蛋白的表达，包括 Toll 样受体、趋化因子受体、共刺激配体、细胞因子、趋化因子和不同的单克隆抗体格式进入不同的细胞亚群。

mRNA 癌症治疗是否可行？

Genentech、CureVac 和 Moderna 等公司正在开发编码新表位的 mRNA 疫苗，从而引发针对目标肿瘤的免疫反应。 数十项临床试验正在测试将 mRNA 疫苗作为单一疗法或作为包括胰腺癌、结直肠癌和黑素瘤在内的各种癌症患者联合治疗的组成部分。 数种候选药物已进入 2 期试验，在黑素瘤、非小细胞肺癌和前列腺癌中显示出良好的疗效（表 1）。

表 1 . 用于癌症临床试验的 mRNA 疫苗（2 期及以后）

虽然 mRNA 癌症疫苗正在引起研究界的兴趣，但大多数肿瘤学研究历来都集中在 mRNA 治疗上，进入临床开发的候选药物种类繁多（表 2），其中包括：

• TriMix-MEL（eTheRNA Immunotherapies 公司）是三种 mRNA 组成的混合物，可以激活关键的免疫细胞对抗癌症。
• mRNA 疗法（BioNTech 公司），可编码一种针对 claudin 18（即某种在多种癌症中表达的蛋白质）的单克隆抗体。 
• LNP 封装的 mRNA（MedImmune LLC 公司），通过肿瘤内注射，旨在驱动局部白细胞介素-12 (IL-12) 的产生，并诱导抗肿瘤免疫。

表 2. mRNA 治疗产品在癌症临床试验中的应用

使 mRNA 癌症疫苗成为现实

近年来，我们在 mRNA 癌症技术方面取得了长足进步，但仍然存在一些根本性挑战。 首先，mRNA 癌症疫苗需要采用对目标组织/器官具有适当亲和力的特定包装和递送系统。 研究人员目前正在评估促进实现这一目标的方法，包括将器官靶向分子与寡核苷酸偶联。 尽管 LNP 是研究最多的 mRNA 递送载体，但由于存在细胞毒性且循环时间较短，其临床应用一直受到阻碍。 因此，目前人们正在评估各种替代的智能递送系统（如外泌体），以提高 mRNA 载体的生物利用度、装载和释放。

成功递送 mRNA 载体还不够。 为了确保疗效最大化，研究人员一直在研究提高蛋白质体内表达的方法。 mRNA 的所有部分（帽状结构、5' 端和 3' 端、开放阅读框以及多聚腺苷酸尾等）均可优化以增加蛋白表达。 化学修饰的核苷现已在这一领域显示出前景。

除了蛋白表达量外，mRNA 疫苗的一大关键阻碍是蛋白质生产周期相对较短，为此需要反复给药。 人们正在探索自扩增和环状 mRNA，以此作为延长 RNA 寿命和提高总蛋白质产量的策略。

虽然仍有很多工作要做，但无论是单独使用还是与现有治疗方案（如检查点抑制剂）联合使用，mRNA 疫苗都已经成为治疗多种癌症类型的通用临床选择。 在我们期待首批 mRNA 治疗药物上市的同时，探索多种创新战略成果以解决全球癌症负担同样令人兴奋。

如需了解有关 mRNA 疫苗和治疗方法的更多信息，请阅读我们在 ACS Pharmacology & Translational Science 上发布的同行评审期刊出版物。

下载由中国科学院文献情报中心和CAS 联合发布的《全球mRNA疫苗和治疗药物研究分析报告》完整电子版.

CAS与西湖大学 (Westlake University) 合作发布了“最值得关注的十大生物健康材料”洞察报告。这份报告重点介绍了水凝胶、抗菌药物、脂质纳米粒、外泌体等材料的最新进展，它们正在重新定义生物材料的未来。 本报告揭示了生物材料涉及的众多行业和学科所面临的新机遇、新趋势和主要挑战。 在以下详细报告中了解更多信息。