基于mRNA疗法的进展和挑战

基于mRNA疗法的进展和挑战

mRNA疗法在新冠肺炎疫情时期之前，就已经构思了几十年。mRNA疫苗是对抗新型病毒感染的一种强大而通用的工具，这主要是由于它的多功能性和快速发展。除了预防性疫苗之外，mRNA技术还为多功能药物的新应用提供了巨大的前景。然而，实现这一概念的潜力面临着相当大的挑战，例如免疫刺激、高水平和长期表达以及向靶细胞和组织的有效递送。

23年底，中国科学院上海营养与健康研究所生物学重点实验室王泽峰研究员和魏欢欢副研究员发表了题为“mRNA therapeutics: New vaccination and beyond”的综述，在这里回顾了基于mRNA的治疗方法的应用，重点是创新设计和未来的挑战/解决方案。此外，针对下一代mRNA疗法，重点介绍了环状mRNA相关技术壁垒，提供预防性疫苗之外的mRNA疗法的概述和展望。

mRNA疗法的概念非常简单，它使用在试管内指导具有药理活性的蛋白质翻译的转录mRNA在活生物体内。由于mRNA携带任何基因的信息，理论上它可以产生几乎任何功能性蛋白质/肽用于疫苗接种或蛋白质替代疗法。新冠肺炎疫情期间mRNA疫苗（BNT162b2和mRNA-1273）的紧急使用授权凸显了mRNA作为一种新型疫苗的潜力，并引领了mRNA疗法的新时代。

图1. mRNA疗法的优势和挑战

尽管mRNA疗法已经实现了安全、可编程、灵活和具有成本效益的设计和生产，但mRNA的固有特性和其他技术限制带来了相当大的挑战。三个主要挑战是表达的稳定性和持续时间免疫调节，以及在活生物体内定向投放。这些挑战引起了研究人员的极大兴趣，他们做出了非凡的努力来寻找相应的解决方案。在这篇综述中，详细概述了基于mRNA的疗法的进展和挑战，强调了有助于将mRNA疗法扩展到疫苗以外的创新和解决方案。

基于应用领域，当前mRNA治疗方法大致可分为三个基本类别:传染病的预防性疫苗、癌症的治疗性疫苗以及作为直接免疫疗法或其他蛋白质药物的蛋白质替代药物。

mRNA预防性疫苗的原理是在试管内转录（IVT）mRNA进入人体翻译抗原蛋白，从而刺激免疫系统防御病原体。免疫系统可以通过以下两种方式识别mRNAs产生的抗原蛋白，主要组织相容性复合体I（MHC I）激活毒性T细胞（CD8+ T cell）杀死感染细胞，或通过MHC II和辅助T细胞（CD4+ T cell）刺激B细胞产生的中和抗体 。

图2. 抗原编码mRNA治疗策略

关于治疗性疫苗的研究主要集中在癌症上，这不仅是因为癌症的固有特性，还因为最近在以下领域的爆发和成功癌症免疫疗法，包括免疫检查站封锁ICB，嵌合抗原受体 T细胞（CAR-T）介导的疗法和癌症特异性抗原。癌症治疗性疫苗的关键是使用癌症特异性抗原来训练人体免疫系统，进而以高特异性杀死癌细胞。因为mRNA的免疫原性比脱氧核糖核酸疫苗编码多种抗原或具有许多表位的完整抗原的能力，以及快速生产的能力，它似乎具有作为治疗性疫苗的巨大潜力，特别是作为启动和扩增免疫反应的癌症疫苗抗癌的免疫反应。

据报道，在2000年初，裸mRNA编码的结内注射肿瘤抗原可以抑制小鼠模型中的癌症生长。2008年，患者来源的自体mRNA首次作为疫苗应用于治疗黑色素瘤患者。裸露的自身佐剂mRNA后来首次在I/II期临床试验中被用作mRNA疫苗皮肤内的前列腺内注射癌症患者 。然而，由于癌症复杂性和mRNA技术方面的一些关键挑战，mRNA癌症疫苗的成功尚未实现。

mRNA在各种蛋白质替代疗法中也具有巨大的潜力，无论是作为免疫疗法（例如抗体和细胞因子）或其他蛋白质药物。与只需要低剂量、短期局部表达抗原的mRNA疫苗不同，大多数蛋白质替代疗法需要长期表达治疗蛋白质类在特定的组织中。

表1. 不同类别mRNA药物的性能比较

尽管每种类型的mRNA疗法都有其独特的挑战，但所有mRNA疗法都面临一些共同的挑战。

第一个挑战是提高mRNA表达的稳定性和持续时间。mRNA容易被降解，使得生产、储存和运输RNA产品（尤其是长RNA）有较高的成本。此外，治疗性疫苗和蛋白质替代疗法需要细胞mRNA药物的长表达时间，这可以通过提高mRNA稳定性来部分实现。

第二个挑战是RNA固有的免疫原性。在蛋白质替代疗法的应用中，由于翻译抑制和细胞毒性，先天免疫系统的激活是不期望的。

第三个挑战是在活生物体内mRNA的递送。mRNA需要进入细胞质才能产生功能蛋白。然而，mRNA几乎不能通过阴离子磷脂双层的细胞膜，限制了在活生物体内mRNA表达目的蛋白。为了获得安全有效的mRNA细胞内递送，试验了许多递送系统。bioNtech/Moderna的mRNA疫苗在LNP的递送系统在临床应用中取得了成功。LNP的提法仍有很大的改进空间，特别是，mRNA的治疗性疫苗和蛋白质替代应用需要细胞或组织特异性递送，这迫切需要进一步开发合理的递送系统。

在mRNA治疗的所有关键步骤中，包括序列设计、mRNA合成和生产以及靶向递送，都投入了大量努力来应对这些挑战。此外，研究人员突破了线性mRNA药物的限制，开发了环状RNA（circRNA）作为mRNA疗法的替代模式，能够延长表达时间并降低免疫原性。它还提供了有希望的治疗潜力，特别是在mRNA预防性疫苗以外的蛋白质替代药物方面。

CircRNAs是共价闭合的单链RNA（ssRNA）分子，主要由前mRNA反向剪接。大多数circRNAs来源于蛋白质编码基因，包含完整的外显子。此外，含外显子的环状RNA主要位于细胞质中。circRNAs有潜力指导蛋白质表达并进一步证明外源circRNA可以被翻译在活生物体内。内源性circRNAs也可以翻译，与线性mRNAs相反，circRNAs没有5′-帽，因此进行不依赖帽的翻译。当一个内部核糖体进入位点（IRES）引入到表达circRNA的载体中，蛋白质可以被有效地翻译。真核生物中mRNA和circRNA的翻译机制不同。简而言之，在IRES依赖性翻译中，大多数IRES受IRES反式作用因子（ITAFs）调控，这些因子有助于招募mRNA中的eIF4G2相关复合物而不是eIF4G1相关复合物。

图3. 环状mRNA和线性mRNA的剪接环状mRNA和线性mRNA的剪接和翻译

图4. 线性的mRNA和circRNA药物在生产流程中的比较

mRNA疗法经历了漫长的发展历程，以克服几个主要的技术困难，包括稳定性差、先天免疫和递送问题。冠状病毒肺炎疫情的压力在最终实现这项新技术方面发挥了关键作用，这反过来又为这种新药物形式的更多应用铺平了道路。尽管早期取得了成功，但该领域仍存在许多技术挑战，目前正在进行深入研究。新RNA平台技术的发展，包括circRNA和saRNAs，以及新的递送方法，可能会将mRNA疗法扩展到新的领域，如在活生物体内单元编程。此外，为mRNA疗法开发的方法可能对未来的RNA药物有用，包括长非编码RNA（lnc RNA）疗法。

参考来源：PharmCube