Chem Soc Rev丨mRNA技术新进展：递送策略和生物医学应用
原创 珍奇 图灵基因 2022-05-07 07:03
收录于合集#前沿分子生物学技术
撰文：珍奇
IF：54.564
推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐
亮点：
（1）本文总结了新兴 mRNA 技术在各种生物医学应用中的重大进展以及多种mRNA递送策略。
（2）通过研究mRNA 技术的发展历史，探索mRNA 的化学修饰和递送系统，本文使读者可以清楚地了解在递送平台中控制化学成分和结构的重要性。
（3）本文详细介绍了 mRNA 在生物医学领域的代表性应用，及作者对该领域未来发展的理解和想法。
在COVID-19病毒流行期间，两种高效信使 RNA（mRNA）疫苗获得的巨大成功凸显了mRNA 技术的潜力。近年来随着mRNA技术的发展，mRNA在体外和体内的应用都得以实现。2022年4月19日，《Chemical Society Reviews》杂志刊登了一篇名为“Emerging mRNA technologies: delivery strategies and biomedical applications”的综述，文章对mRNA 技术的重大进展以及潜在的化学设计和原理进行了总结和讨论，提出了各种基于纳米颗粒 (NP)的递送策略，还强调了应用于生物医学领域的典型 mRNA 递送平台。最后，作者对mRNA 技术的临床转化及未来发展提出了见解。
信使RNA(Messenger RNA，mRNA)最早发现于20世纪60年代初，并于70年代被送入细胞进行蛋白质表达。与基于DNA的蛋白质表达技术不同，mRNA不需要进入细胞核来完成其功能，所以不会感染原始基因组。因此，利用不同的mRNAs表达不同的蛋白质来控制不同的疾病的概念引起了科学界的关注。在过去的几十年里，虽然一些研究在mRNA修饰和传递平台的设计方面推动了mRNA技术的发展，但这些应用主要仍停留在学术界。直到全球新型冠状病毒的爆发，基于核糖核酸(NP)的疫苗在防止病毒传播方面的有效性才使mRNA技术从学术界进入了公众的视野，学术界和工业界对mRNA技术的研究也大大增加。
mRNA疗法在不同疾病中的应用通常包括以下步骤：选择正确的靶点，设计相应的mRNA序列并对其进行修饰以提高其稳定性，然后使用合适的载体平台将mRNA传递到正确的位置以正确表达蛋白质。显然，mRNA的应用需要生物、材料科学、化学、药理学和医学等领域的知识。虽然mRNA本身的设计和稳定性是先决条件，但mRNA递送系统的效率也是关键，因为这决定了mRNA疗法在实际应用中的疗效。目前，如果没有递送平台的保护和帮助，单独的mRNAs对身体的影响很小。因此，先前已采用各种材料进行 mRNA 递送，包括脂质、类脂质材料、聚合物、无机材料、细胞膜和混合系统。其中，含有极性头的脂质和类脂质材料基团、疏水链和接头是最常用的。它们通过静电相互作用与带负电荷的mRNA相互作用，以确保mRNA的功能完整性并促进其内体逃逸。用于 mRNA 递送的脂质材料可进一步分为阳离子脂质、可电离脂质和两性离子脂质。与含有永久带正电荷的极性头部基团的阳离子脂质不同，可电离的脂质可以发生pH 响应的电荷变化。它们在生理条件下可以带中性电荷，但在低 pH 值下带正电，为有效的内体逃逸奠定了基础。两种已获批准的 COVID-19 mRNA 疫苗（SM-102 和ALC-0315）中使用的脂质材料都是可电离的脂质。 mRNA的应用范围现在不仅包括肿瘤治疗（直接诱导治疗性蛋白表达或增强免疫反应），还包括病毒疫苗和基因编辑等。此外，脂质体可以实现 mRNA 的器官特异性递送从而靶向治疗疾病。
mRNA通常由 2000-2500 个碱基的单链长多核苷酸组成，在进入靶细胞执行其转录功能之前就被无处不在的细胞外核糖核酸酶快速降解。此外，细胞膜通过静电排斥进一步阻碍了mRNA向细胞质的扩散，从而阻止了mRNA转染。因此，研究人员已经开发了包括病毒载体和非病毒载体在内的策略来增强细胞对 mRNA 的内化。其中，mRNA 传递的非病毒策略包括了作为编码特异性抗原疫苗的裸 mRNA；通过静电相互作用自组装的蛋白质-mRNA 复合物；包括 LNP 和脂质复合物在内的基于脂质的mRNA载体；基于聚合物的mRNA载体；以及含有脂质和聚合物的混合载体。
基于 mRNA 的疗法在对抗各种疾病方面发挥着重要作用。最近，mRNA 已应用于多种疾病的治疗（用于治疗癌症、心血管疾病、和传染病以及基因组编辑和蛋白质替代），而且正在扩展到许多其他生物医学领域。
功能蛋白在靶细胞中的表达是mRNA药物最直接的应用。它通常用于通过补充未表达的蛋白质或不以调节或组织特异性方式起作用的蛋白质来治疗罕见的遗传代谢疾病。除了编码神经营养因子的 mRNA 外，编码肿瘤抑制蛋白的 mRNA 在癌症治疗中也有很大的前景。
由疫苗激活的主动免疫反应保护数百万人免受疾病侵害。与传统疫苗相比，mRNA 疫苗在预防感染性疾病和非感染性疾病方面具有更大的潜力，因为它们能够有效表达膜结合蛋白和多蛋白抗原，从而模拟自然感染过程中抗原的表达。最成功的 mRNA 疫苗是由Moderna (Spikevax) 和 BioNTech/Pfizer (BNT-162) 开发的两种 FDA 批准的COVID-19 疫苗，它们已在全球范围内部署并大大降低了感染率，挽救了数百万人的生命。
癌症免疫疗法旨在引发抗肿瘤免疫反应，从而抑制肿瘤生长并产生有效的临床结果。适应性免疫系统通过产生细胞毒性 T 细胞或产生体液抗体来保护我们免受感染。可通过递送编码 TAA 的 mRNA 来激活抗肿瘤免疫反应。、此外，通过引入佐剂脂多糖 (LPS) 可以实现更有效的免疫反应。在某些情况下，用于构建 LNP 的可电离脂质也可以作为免疫佐剂，进一步增强 TAA-mRNA 诱导的免疫反应。激活抗肿瘤免疫反应的另一种策略是递送编码双特异性 T 细胞结合抗体的 mRNA，这是一种特殊类型的抗体，可以将细胞毒性 T 细胞募集到肿瘤，从而导致靶标依赖性多克隆 T 细胞活化和随之而来的肿瘤细胞裂解。3次低剂量（5 毫克）抗体-mRNA 后，ES-2 肿瘤异种移植物的生长得到有效抑制。此外，编码免疫系统调节剂（如细胞因子 IL-23、IL-36g 和 OX40L）的 mRNA也已被递送至小鼠以刺激有效的免疫反应，从而实现有效的肿瘤破坏。逆转免疫抑制是另一种新兴策略。通过 LNP 递送编码单域抗体（例如 BisCCL2/5i）的 mRNA，抗体水平显着提高。一旦递送至肝脏，mRNA LNP 能够抑制 M2 肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)极化和激活 M1 表型极化，在肝癌小鼠模型中显示出生存期的延长。
基因组编辑通过在基因组 DNA 的特定位点精确插入、移除或替换 DNA 序列，为遗传疾病提供了有希望的治疗方法。 CRISPR/Cas9 系统的革命性发现导致了基因编辑的爆炸式增长。 Cas9 mRNA 和 sgRNA 共递送可以实现 Cas9 蛋白的瞬时表达，减少脱靶效应，克服了传统 CRISPR/Cas9 质粒递送的局限性。
迄今为止，已有 1000 多项基于 mRNA 的疗法的临床试验，包括 FDA 批准的新冠疫苗BNT和 Spikevax。其中，LNP占了很大一部分。LNP 不仅用作针对 SARS-CoV-2 和其他感染（如基孔肯雅病毒和寨卡病毒）的疫苗，还用作癌症治疗剂和代谢疾病的药物。LNPs具有易于配制、大小均匀、模块化、mRNA上载和转染效率高、生物相容性好的优点。然而，在长期储存过程中可能会发生结构变化，LNPs的稳定性可能需要进一步提高。基于聚合物的载体可以表现出更好的稳定性。聚合物分子中强大的化学设计能力也使聚合物成为一种高效且有前途的 mRNA 传递材料。然而，聚合物化学家可能仍需要注意使聚合物的分子量和多分散性可控，从而避免批次之间的差异。混合载体可以结合 LNP 和聚合物的优点，例如易于配制、稳定性和功能性，同时需要大量筛选有效的配方。基于蛋白质的载体对于 mRNA 递送具有高度的生物相容性。然而，考虑到蛋白质本质上是复杂的分子，它可能不稳定并且对温度、pH、离子浓度和其他配方特性敏感。尽管所有类型的递送系统都有其相应的优点和缺点，但它们都具有可发展的潜力，可用于产生有效的新一代 mRNA 药物。作者也期望随着世界各地不同领域科学家的不断努力，这些目前的劣势最终将被克服，未来mRNA医学的潜力将得到最大的发挥。
mRNA技术的快速发展、改进和应用离不开生物、医学、药学、材料科学和化学的交叉领域。与DNA不同，mRNA不需要被送到细胞核，也不会干扰人类基因组。然而，mRNA的大分子量和单链结构使其不稳定。因此，需要对mRNA进行化学修饰才能保证其功能。随着新兴 mRNA 技术的发展，作者也期望 mRNA 医学可以极大地扩展到各种生物医学应用（不限于以上讨论的领域）。 COVID-19 mRNA 疫苗可能只是一个开始，我们可能正处于 mRNA 医学新时代的开端。
教授介绍：
陶伟，现任美国哈佛大学医学院助理教授。研究方向主要是围绕药物载体和生物材料的研发及其广泛的生物医学应用（如mRNA/siRNA等核酸递送、肿瘤诊断治疗、心血管疾病、创伤愈合及组织再生、感染或炎症类疾病、糖尿病及其并发症等的治疗等）。陶博士团队研发的多种药物递送技术已获系统性的专利、具有良好的产业化背景。近四年以通讯作者身份在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等期刊上发表论文50余篇，多数论文入选封面论文、Web of Science高被引论文或热点论文。
参考文献：
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