Chem Soc Rev丨mRNA技術新進展：遞送策略和生物醫(yī)學應用

原創(chuàng)?珍奇?圖靈基因?2022-05-07 07:03

收錄于合集#前沿分子生物學技術

撰文：珍奇

IF：54.564

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亮點：

（1）本文總結了新興?mRNA?技術在各種生物醫(yī)學應用中的重大進展以及多種mRNA遞送策略。

（2）通過研究mRNA?技術的發(fā)展歷史枉长，探索mRNA?的化學修飾和遞送系統(tǒng)查乒，本文使讀者可以清楚地了解在遞送平臺中控制化學成分和結構的重要性虹菲。

（3）本文詳細介紹了?mRNA?在生物醫(yī)學領域的代表性應用速种，及作者對該領域未來發(fā)展的理解和想法根灯。

在COVID-19病毒流行期間燕耿，兩種高效信使?RNA（mRNA）疫苗獲得的巨大成功凸顯了mRNA?技術的潛力中符。近年來隨著mRNA技術的發(fā)展，mRNA在體外和體內的應用都得以實現(xiàn)誉帅。2022年4月19日淀散，《Chemical Society Reviews》雜志刊登了一篇名為“Emerging mRNA technologies: delivery strategies and biomedical applications”的綜述右莱，文章對mRNA?技術的重大進展以及潛在的化學設計和原理進行了總結和討論，提出了各種基于納米顆粒?(NP)的遞送策略档插，還強調了應用于生物醫(yī)學領域的典型?mRNA?遞送平臺慢蜓。最后，作者對mRNA?技術的臨床轉化及未來發(fā)展提出了見解郭膛。

信使RNA(Messenger RNA晨抡，mRNA)最早發(fā)現(xiàn)于20世紀60年代初，并于70年代被送入細胞進行蛋白質表達则剃。與基于DNA的蛋白質表達技術不同耘柱，mRNA不需要進入細胞核來完成其功能，所以不會感染原始基因組棍现。因此调煎，利用不同的mRNAs表達不同的蛋白質來控制不同的疾病的概念引起了科學界的關注。在過去的幾十年里己肮，雖然一些研究在mRNA修飾和傳遞平臺的設計方面推動了mRNA技術的發(fā)展汛蝙，但這些應用主要仍停留在學術界。直到全球新型冠狀病毒的爆發(fā)朴肺，基于核糖核酸(NP)的疫苗在防止病毒傳播方面的有效性才使mRNA技術從學術界進入了公眾的視野窖剑，學術界和工業(yè)界對mRNA技術的研究也大大增加。

mRNA療法在不同疾病中的應用通常包括以下步驟：選擇正確的靶點戈稿，設計相應的mRNA序列并對其進行修飾以提高其穩(wěn)定性西土，然后使用合適的載體平臺將mRNA傳遞到正確的位置以正確表達蛋白質。顯然鞍盗，mRNA的應用需要生物需了、材料科學、化學般甲、藥理學和醫(yī)學等領域的知識肋乍。雖然mRNA本身的設計和穩(wěn)定性是先決條件，但mRNA遞送系統(tǒng)的效率也是關鍵敷存，因為這決定了mRNA療法在實際應用中的療效墓造。目前，如果沒有遞送平臺的保護和幫助锚烦，單獨的mRNAs對身體的影響很小觅闽。因此，先前已采用各種材料進行?mRNA?遞送涮俄，包括脂質蛉拙、類脂質材料、聚合物彻亲、無機材料孕锄、細胞膜和混合系統(tǒng)吮廉。其中，含有極性頭的脂質和類脂質材料基團畸肆、疏水鏈和接頭是最常用的宦芦。它們通過靜電相互作用與帶負電荷的mRNA相互作用，以確保mRNA的功能完整性并促進其內體逃逸恼除。用于?mRNA?遞送的脂質材料可進一步分為陽離子脂質、可電離脂質和兩性離子脂質曼氛。與含有永久帶正電荷的極性頭部基團的陽離子脂質不同豁辉，可電離的脂質可以發(fā)生pH?響應的電荷變化。它們在生理條件下可以帶中性電荷舀患，但在低?pH?值下帶正電徽级，為有效的內體逃逸奠定了基礎。兩種已獲批準的?COVID-19 mRNA?疫苗（SM-102?和ALC-0315）中使用的脂質材料都是可電離的脂質聊浅。?mRNA的應用范圍現(xiàn)在不僅包括腫瘤治療（直接誘導治療性蛋白表達或增強免疫反應）餐抢，還包括病毒疫苗和基因編輯等。此外低匙，脂質體可以實現(xiàn)?mRNA?的器官特異性遞送從而靶向治療疾病旷痕。

mRNA通常由?2000-2500?個堿基的單鏈長多核苷酸組成，在進入靶細胞執(zhí)行其轉錄功能之前就被無處不在的細胞外核糖核酸酶快速降解顽冶。此外欺抗，細胞膜通過靜電排斥進一步阻礙了mRNA向細胞質的擴散，從而阻止了mRNA轉染强重。因此绞呈，研究人員已經(jīng)開發(fā)了包括病毒載體和非病毒載體在內的策略來增強細胞對?mRNA?的內化。其中间景，mRNA?傳遞的非病毒策略包括了作為編碼特異性抗原疫苗的裸?mRNA佃声；通過靜電相互作用自組裝的蛋白質-mRNA?復合物；包括?LNP?和脂質復合物在內的基于脂質的mRNA載體倘要；基于聚合物的mRNA載體圾亏；以及含有脂質和聚合物的混合載體姻蚓。

基于?mRNA?的療法在對抗各種疾病方面發(fā)揮著重要作用卧土。最近，mRNA?已應用于多種疾病的治療（用于治療癌癥曲梗、心血管疾病哮缺、和傳染病以及基因組編輯和蛋白質替代）弄跌，而且正在擴展到許多其他生物醫(yī)學領域。

功能蛋白在靶細胞中的表達是mRNA藥物最直接的應用尝苇。它通常用于通過補充未表達的蛋白質或不以調節(jié)或組織特異性方式起作用的蛋白質來治療罕見的遺傳代謝疾病铛只。除了編碼神經(jīng)營養(yǎng)因子的?mRNA?外埠胖，編碼腫瘤抑制蛋白的?mRNA?在癌癥治療中也有很大的前景。

由疫苗激活的主動免疫反應保護數(shù)百萬人免受疾病侵害淳玩。與傳統(tǒng)疫苗相比直撤，mRNA?疫苗在預防感染性疾病和非感染性疾病方面具有更大的潛力，因為它們能夠有效表達膜結合蛋白和多蛋白抗原蜕着，從而模擬自然感染過程中抗原的表達谋竖。最成功的?mRNA?疫苗是由Moderna (Spikevax)?和?BioNTech/Pfizer (BNT-162)?開發(fā)的兩種?FDA?批準的COVID-19?疫苗，它們已在全球范圍內部署并大大降低了感染率承匣，挽救了數(shù)百萬人的生命蓖乘。

癌癥免疫療法旨在引發(fā)抗腫瘤免疫反應，從而抑制腫瘤生長并產(chǎn)生有效的臨床結果韧骗。適應性免疫系統(tǒng)通過產(chǎn)生細胞毒性?T?細胞或產(chǎn)生體液抗體來保護我們免受感染嘉抒。可通過遞送編碼?TAA?的?mRNA?來激活抗腫瘤免疫反應袍暴。些侍、此外，通過引入佐劑脂多糖?(LPS)?可以實現(xiàn)更有效的免疫反應政模。在某些情況下岗宣，用于構建?LNP?的可電離脂質也可以作為免疫佐劑，進一步增強?TAA-mRNA?誘導的免疫反應淋样。激活抗腫瘤免疫反應的另一種策略是遞送編碼雙特異性?T?細胞結合抗體的?mRNA狈定，這是一種特殊類型的抗體，可以將細胞毒性?T?細胞募集到腫瘤习蓬，從而導致靶標依賴性多克隆?T?細胞活化和隨之而來的腫瘤細胞裂解纽什。3次低劑量（5?毫克）抗體-mRNA?后，ES-2?腫瘤異種移植物的生長得到有效抑制躲叼。此外芦缰，編碼免疫系統(tǒng)調節(jié)劑（如細胞因子?IL-23、IL-36g?和?OX40L）的?mRNA也已被遞送至小鼠以刺激有效的免疫反應枫慷，從而實現(xiàn)有效的腫瘤破壞让蕾。逆轉免疫抑制是另一種新興策略。通過?LNP?遞送編碼單域抗體（例如?BisCCL2/5i）的?mRNA或听，抗體水平顯著提高探孝。一旦遞送至肝臟，mRNA LNP?能夠抑制?M2?腫瘤相關巨噬細胞(TAMs)極化和激活?M1?表型極化誉裆，在肝癌小鼠模型中顯示出生存期的延長顿颅。

基因組編輯通過在基因組?DNA?的特定位點精確插入、移除或替換?DNA?序列足丢，為遺傳疾病提供了有希望的治療方法粱腻。?CRISPR/Cas9?系統(tǒng)的革命性發(fā)現(xiàn)導致了基因編輯的爆炸式增長庇配。?Cas9 mRNA?和?sgRNA?共遞送可以實現(xiàn)?Cas9?蛋白的瞬時表達，減少脫靶效應绍些，克服了傳統(tǒng)?CRISPR/Cas9?質粒遞送的局限性捞慌。

迄今為止，已有?1000?多項基于?mRNA?的療法的臨床試驗柬批，包括?FDA?批準的新冠疫苗BNT和?Spikevax啸澡。其中，LNP占了很大一部分氮帐。LNP?不僅用作針對?SARS-CoV-2?和其他感染（如基孔肯雅病毒和寨卡病毒）的疫苗嗅虏，還用作癌癥治療劑和代謝疾病的藥物。LNPs具有易于配制揪漩、大小均勻旋恼、模塊化吏口、mRNA上載和轉染效率高奄容、生物相容性好的優(yōu)點。然而产徊，在長期儲存過程中可能會發(fā)生結構變化昂勒，LNPs的穩(wěn)定性可能需要進一步提高≈弁基于聚合物的載體可以表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性戈盈。聚合物分子中強大的化學設計能力也使聚合物成為一種高效且有前途的?mRNA?傳遞材料。然而谆刨，聚合物化學家可能仍需要注意使聚合物的分子量和多分散性可控塘娶，從而避免批次之間的差異∪玻混合載體可以結合?LNP?和聚合物的優(yōu)點刁岸，例如易于配制、穩(wěn)定性和功能性她我，同時需要大量篩選有效的配方虹曙。基于蛋白質的載體對于?mRNA?遞送具有高度的生物相容性番舆。然而酝碳，考慮到蛋白質本質上是復雜的分子，它可能不穩(wěn)定并且對溫度恨狈、pH疏哗、離子濃度和其他配方特性敏感。盡管所有類型的遞送系統(tǒng)都有其相應的優(yōu)點和缺點禾怠，但它們都具有可發(fā)展的潛力沃斤，可用于產(chǎn)生有效的新一代?mRNA?藥物圣蝎。作者也期望隨著世界各地不同領域科學家的不斷努力，這些目前的劣勢最終將被克服衡瓶，未來mRNA醫(yī)學的潛力將得到最大的發(fā)揮徘公。

mRNA技術的快速發(fā)展、改進和應用離不開生物哮针、醫(yī)學关面、藥學、材料科學和化學的交叉領域十厢。與DNA不同等太，mRNA不需要被送到細胞核，也不會干擾人類基因組蛮放。然而缩抡，mRNA的大分子量和單鏈結構使其不穩(wěn)定。因此包颁，需要對mRNA進行化學修飾才能保證其功能瞻想。隨著新興?mRNA?技術的發(fā)展，作者也期望?mRNA?醫(yī)學可以極大地擴展到各種生物醫(yī)學應用（不限于以上討論的領域）娩嚼。?COVID-19 mRNA?疫苗可能只是一個開始蘑险，我們可能正處于?mRNA?醫(yī)學新時代的開端。

教授介紹：

陶偉岳悟，現(xiàn)任美國哈佛大學醫(yī)學院助理教授佃迄。研究方向主要是圍繞藥物載體和生物材料的研發(fā)及其廣泛的生物醫(yī)學應用（如mRNA/siRNA等核酸遞送、腫瘤診斷治療贵少、心血管疾病呵俏、創(chuàng)傷愈合及組織再生、感染或炎癥類疾病滔灶、糖尿病及其并發(fā)癥等的治療等）普碎。陶博士團隊研發(fā)的多種藥物遞送技術已獲系統(tǒng)性的專利、具有良好的產(chǎn)業(yè)化背景宽气。近四年以通訊作者身份在Nature Reviews Materials, Nature ReviewsCardiology, Science Translational Medicine, PNAS, Matter (Cell Press), NatureProtocols, Nature Communications, Science Advances, Trends in Chemistry (CellPress), Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Accounts of ChemicalResearch, Angewandte Chemie, Advanced Materials等期刊上發(fā)表論文50余篇随常，多數(shù)論文入選封面論文、Web of Science高被引論文或熱點論文萄涯。

參考文獻：

Xiao, Y., Tang, Z., Huang, X., Chen, W., Zhou, J., Liu, H., Liu, C., Kong,N., & Tao, W. (2022). Emerging mRNA technologies: delivery strategies andbiomedical applications. Chemical Society reviews, 10.1039/d1cs00617g. Advanceonline publication.?https://doi.org/10.1039/d1cs00617g