Nature深度综述：新一代mRNA疗法将走向何方？

▎药明康德内容团队编辑

随着通过脂质纳米颗粒（LNP）递送的mRNA疫苗在预防新冠方面的巨大成功，mRNA疫苗和疗法的开发也成为人们关注的领域。日前，Nature Reviews Materials发布的一篇综述对递送mRNA的LNP技术发展做出了详细的盘点，并且对这一技术在传染性疾病疫苗之外，在临床的广泛应用前景和需要解决的挑战进行探讨。

脂质分子作为mRNA递送手段的发展历程

使用脂质体（liposome）递送mRNA的研发活动可以追溯到上世纪70年代。早在1978年，研究人员就在体外实验中证明，使用脂质体可以将mRNA递送到细胞中。脂质分子是一种同时具有亲水性和亲脂性的两亲分子，它包含着一个极性头部基团和一个疏水的“长尾巴”。这一特征能够帮助携带负电荷的mRNA分子穿越细胞膜。

最初用于构建脂质体的脂质分子是阳离子脂质（cationic lipids），它们的头部基团携带永久的正电荷，可以中和mRNA携带的负电荷，协助mRNA分子穿过细胞膜。在科学实验中常用的转染试剂Lipofectamine的成分就包括阳离子脂质。不过，阳离子脂质虽然在递送mRNA方面非常有效，但是同时也会触发有毒的促细胞凋亡和促炎症反应。

可离子化脂质（ionizable lipids）的出现是LNP开发历程上的一个重要突破。在低pH值的环境中，它携带正电荷，这让它们可以与mRNA形成复合体，起到稳定mRNA的作用。然而在生理pH值时，它是中性的，这减少了它与血液中细胞的细胞膜之间的相互作用，减少了它的毒性。而且，在被细胞摄入之后，内体（endosome）的酸性环境让它们重新携带正电荷，这可能帮助破坏内体细胞膜的稳定性，促进mRNA从内体的脱离。

▲脂质纳米颗粒的不同脂质分子组分（图片来源：参考资料[2]）

除了阳离子脂质和可离子化脂质分子，目前的LNP还携带其它脂质分子，包括磷脂、胆固醇、以及聚乙二醇（PEG）修饰的脂质分子。这些脂质分子可以帮助改善LNP的稳定性、递送效率、耐受性和生物分布等重要特征。

mRNA疗法在传染病疫苗以外的临床应用

在脂质体递送的mRNA新冠疫苗获得成功之后，这一疫苗开发方式也已经被用于开发预防包括流感、寨卡病毒、呼吸道合胞病毒、巨细胞病毒在内的多种其它病毒造成的传染病。

在传染病疫苗之外，综述作者也总结了脂质体递送mRNA在其它领域的转化应用。在治疗癌症、遗传性疾病、以及治疗传染病方面，多款mRNA疗法已经步入临床开发阶段。

▲具有代表性的部分临床期mRNA疗法（数据来源：参考资料[1]和公开资料，药明康德内容团队制图）

在治疗癌症方面，mRNA被用于开发多种癌症疫苗，这些癌症疫苗有的表达固定的肿瘤相关抗原（如BioNTech公司利用FixVac平台开发的BNT111），还有的可以表达癌症患者独有的新抗原（如Moderna公司开发的mRNA-4157）。mRNA的优势之一在于可以表达多种与肿瘤相关的抗原，从而增强人体对肿瘤的免疫反应。

增强对癌症免疫反应的另一个策略是通过在肿瘤局部表达细胞因子，改变肿瘤微环境的免疫抑制效应。在这方面，Moderna，BioNTech和Curevac都有基于mRNA的疗法进入临床，表达不同的促炎症细胞因子或激动剂。

Cartesian Therapeutics公司在探索使用脂质体递送mRNA的CAR-T疗法制造工艺。该公司表示，使用这种方法不会给CAR-T细胞带来DNA水平上的永久改变，可能有助于控制CAR-T细胞的毒副作用。该公司靶向B细胞成熟抗原（BCMA）的在研疗法Descartes-08刚在治疗全身性重症肌无力的1期临床试验中获得 。

在治疗遗传病方面，利用mRNA表达因为基因突变而缺失的蛋白，有望恢复患者体内的蛋白水平。目前基于mRNA的蛋白替代疗法主要聚焦于遗传性代谢疾病。

新一代mRNA和LNP技术的研发方向

综述作者表示，基于目前临床研究获得的经验，LNP-mRNA的配方仍然有进一步优化的余地。例如，mRNA转译生成蛋白的效率仍然可以进一步提高。通过mRNA序列的工程化，可以优化mRNA的蛋白编码序列以及5’和3’端非转译序列（UTR），从而提高蛋白表达水平。此外，环形RNA可以用于提高mRNA的稳定性，延长在体内的半衰期。

在LNP配方方面，理性设计脂质的头部基团和疏水性尾部能够提高细胞摄入和内体逃逸效率。 作者指出，使用对pH值敏感的聚合物（polymer），与脂质分子构成杂合纳米颗粒，可能集两者之所长，改进mRNA递送效率。 目前多种聚合物已经被用于递送mRNA。

▲聚合物分子已经被用于递送mRNA（图片来源：参考资料[2]）

未来mRNA疗法的一个关键是完成组织或细胞特异性递送。这一目标可以通过调整脂质分子的结构来达成。例如，调整脂质分子的烷基长度可以导致LNP-mRNA配方在肝脏和脾脏聚集。另一种方式是模拟人体中的天然分子。例如，神经递质是人体中能够穿越血脑屏障的内源化合物。从神经递质衍生出的脂质分子可以用于将mRNA递送进入大脑。

目前，如何检测和比较不同LNP配方在人体中的细胞分布仍然是一项具有挑战性的工作。然而为纳米颗粒加上“条形码”的技术有望在体内完成对纳米颗粒细胞分布的高通量筛选。

最后，设计LNP时应该考虑生物降解性和多功能性。能够被生物降解的脂质分子让LNP能够迅速从血浆和组织中被清除，从而改善它们的安全性和耐受性。能够被生物降解的脂质分子已经在mRNA-1273和BNT162b2新冠疫苗中使用。

在递送mRNA之外，脂质分子可能与mRNA编码的蛋白产生协同效应。例如，有的脂质分子可以作为佐剂，增强疫苗的效力，而紫杉醇衍生的脂质分子可能将化疗和基因疗法整合在一起，用于治疗癌症。

mRNA已经在多个临床应用中表现出巨大的治疗潜力。新一代脂质纳米颗粒和其它递送材料的开发将有望在不远的将来，进一步扩展基mRNA疗法的应用范围，为广大患者造福。

参考资料：

[1] Hou et al., (2021). Lipid nanoparticles for mRNA delivery. Nature Reviews Materials, https://doi.org/10.1038/s41578-021-00358-0

[2] Chaudhary et al., (2021). mRNA vaccines for infectious diseases: principles, delivery and clinical translation, Nature Reviews Drug Discovery, https://doi.org/10.1038/s41573-021-00283-5

注：本文旨在介绍医药健康研究进展，不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。