北理工在可離子化脂質(zhì)體實(shí)現(xiàn)mRNA治療方面取得進(jìn)展
發(fā)布日期：2020-12-29 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：朱倩云 審核：唐水源 閱讀次數(shù)：近日,，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃淵余課題組在mRNA遞送及其在肝組織高效表達(dá)方面取得重要研究進(jìn)展,。該研究成果以《Efficient hepatic delivery and protein expression enabled by optimized mRNA and ionizable lipid nanoparticle》發(fā)表于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Bioactive Materials》（中國(guó)卓越期刊高起點(diǎn)期刊，IF2019=8.724,，即時(shí)IF>12）,。該論文第一作者為北京理工大學(xué)生命學(xué)院/前沿交叉院博士研究生楊同仁、李春輝及北京大學(xué)王曉霞博士,，通訊作者為北京理工大學(xué)黃淵余研究員和翁郁華副研究員,。
理論上，信使RNA（mRNA）具有表達(dá)任何蛋白質(zhì)的能力,，因此mRNA療法在疫苗研發(fā),、蛋白質(zhì)替代治療、表達(dá)抗體治療,、腫瘤免疫治療及改造CAT-T細(xì)胞等細(xì)胞療法等方向均有廣闊的應(yīng)用前景,。目前新冠肺炎的疫苗研發(fā)中，美國(guó)Moderna,、德國(guó)BioNTech等生物技術(shù)企業(yè)開(kāi)發(fā)的mRNA疫苗均已獲得緊急使用授權(quán),，國(guó)內(nèi)也有一些企業(yè)正基于mRNA平臺(tái)開(kāi)發(fā)新冠肺炎疫苗。
圖1 研究示意圖
與質(zhì)粒DNA相比,，mRNA具有入胞后不需要進(jìn)入細(xì)胞核,、快速表達(dá)蛋白、不會(huì)整合到宿主基因組等優(yōu)勢(shì),；與傳統(tǒng)蛋白分子相比,，mRNA具有生產(chǎn)成本低、可塑性強(qiáng),、設(shè)計(jì)篩選迅速便捷等優(yōu)點(diǎn),。但由于其分子量大（300-5000 kDa，1-15 kb）,、帶負(fù)電荷,、易降解，天然的mRNA較難進(jìn)入細(xì)胞發(fā)揮作用,。因此,，迫切需要提高mRNA的穩(wěn)定性、提高mRNA表達(dá)效率,、開(kāi)發(fā)合適的mRNA遞送系統(tǒng),。在mRNA制藥領(lǐng)域,，mRNA的化學(xué)修飾和密碼子優(yōu)化是提高mRNA穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)。在遞送方面,，可電離脂質(zhì)納米顆粒（iLNP）是最具應(yīng)用前景的核酸遞送載體,。已獲批上市的全球第一種siRNA藥物Onpattro?和上述Moderna、BioNTech開(kāi)發(fā)的新冠肺炎mRNA疫苗都是脂質(zhì)體制劑,。在這項(xiàng)研究中,，研究人員探究了一種可離子化的脂質(zhì)納米體系iLP171，并對(duì)iLP171遞送mRNA的效率和蛋白質(zhì)表達(dá)情況進(jìn)行了體外和體內(nèi)研究（圖1）,。
已有研究證明,，遞送載體系統(tǒng)的pKa值處于6.0至6.5時(shí)，通?？身憫?yīng)內(nèi)涵體pH值改變迅速離子化，從而與內(nèi)涵體膜成分中的磷脂成分發(fā)生相互作用,，破壞內(nèi)涵體膜穩(wěn)定性,，促使核酸分子從內(nèi)涵體中逃逸到細(xì)胞質(zhì)，同時(shí)釋放核酸分子,。該研究證明iLP171體系的pKa值為6.28,，完全符合可離子化脂質(zhì)體的要求。為了使mRNA具有最佳的蛋白質(zhì)翻譯效率,，研究人員還對(duì)表達(dá)促紅細(xì)胞生長(zhǎng)素（Erythropoietin, EPO）的mRNA進(jìn)行了密碼子優(yōu)化,，并在體外轉(zhuǎn)錄時(shí)進(jìn)行抗反向帽類似物（ARCA）加帽和poly(A)加尾。數(shù)據(jù)證明,，密碼子優(yōu)化的EPO mRNA的蛋白表達(dá)效率顯著高于未進(jìn)行密碼子優(yōu)化的EPO mRNA（圖1）,。
圖2 iLP171/mRNA在小鼠體內(nèi)的分布
進(jìn)一步，研究人員將iLP171/mRNA制劑經(jīng)尾靜脈注射到小鼠體內(nèi)評(píng)估其體內(nèi)效果,。數(shù)據(jù)顯示,，iLP171/mRNA主要積聚在肝臟（如紅圈所示）和腎臟（圖2a和2b），對(duì)全身（圖 2c）和分離臟器（圖2d-f）的熒光定量分析進(jìn)一步證實(shí)了這些結(jié)果,。有研究表明,，可離子化的核酸脂質(zhì)體進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)后，可能與載脂蛋白E（ApoE）結(jié)合,，從而識(shí)別肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的低密度脂蛋白受體（LDLR）,，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)肝靶向遞送過(guò)程。腎臟的富集則因?yàn)楹怂嶂|(zhì)體主要通過(guò)腎臟清除,。
圖3 iLP171/ mRNA在小鼠體內(nèi)蛋白表達(dá)情況
研究人員進(jìn)一步考察了iLP171/mLuc（表達(dá)熒光素酶的mRNA）在小鼠體內(nèi)的蛋白表達(dá)情況,。結(jié)果表明，熒光素酶主要在肝臟中穩(wěn)定表達(dá),，且在給藥后6 h達(dá)到峰值,；在脾臟有少量表達(dá)，在其他器官中幾乎不表達(dá)（圖3a-c）。這些結(jié)果與iLP171/mRNA體內(nèi)分布結(jié)果一致,。同樣地,，iLP171/mEPO也在給藥后6 h在血液中達(dá)到最高濃度，這表明mRNA的遞送,、蛋白翻譯以及蛋白質(zhì)的分泌過(guò)程均非常高效和迅速（圖3d）,。同時(shí)，該論文還研究了該脂質(zhì)體核酸體系的體內(nèi)安全性,，病理切片,、血清生化等指標(biāo)均表明該體系擁有良好的體內(nèi)安全性。
綜上所述,，此項(xiàng)研究證明了iLP171可高效地將密碼子優(yōu)化的mRNA遞送至肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞,，高效表達(dá)目的蛋白，并擁有良好的安全性,。該研究為貧血疾病的治療以及mRNA藥物或疫苗的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ),。
附作者簡(jiǎn)介：
黃淵余，北京理工大學(xué)研究員,、課題組長(zhǎng),、博士生導(dǎo)師。研究興趣主要圍繞核酸技術(shù)與藥物展開(kāi),，包括核酸藥物（如siRNA,、mRNA等）的設(shè)計(jì)篩選、藥物遞送以及重大疾病的創(chuàng)新診治技術(shù)研究,。目前在Nano Today,、Adv Funct Mater、Nano Lett,、Biotechnol Adv等期刊發(fā)表SCI論文50余篇,；其中第一或通訊作者論文30余篇，含IF>10論文13篇,、ESI高被引論文3篇,。著述專著6章、中文教材1部,；申請(qǐng)專利6件,，含授權(quán)PCT專利2件。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目10余項(xiàng),。入選北京市科技新星（2020）,、北京市科協(xié)先進(jìn)工作者（2020）、北京市科協(xié)青年托舉人才（2019）,，獲得中美納米醫(yī)學(xué)與納米生物技術(shù)學(xué)會(huì)“未來(lái)之星”獎(jiǎng)（2019）,、教育部學(xué)術(shù)新人等榮譽(yù),。是中國(guó)生物物理學(xué)會(huì)納米生物學(xué)分會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)、理事,，另4個(gè)學(xué)會(huì)理事或委員,；是Advances（Wiley合作新刊）副主編、Chinese Chemical Letters等多個(gè)期刊編委,。
翁郁華,，北京理工大學(xué)副研究員，碩士生導(dǎo)師,。研究方向?yàn)楹怂崴幬镞f送技術(shù)和診療一體化納米藥物,。設(shè)計(jì)、測(cè)試與開(kāi)發(fā)了多種類型的核酸藥物載體和納米藥物,，并產(chǎn)生了一些有意義的發(fā)現(xiàn),。至今共發(fā)表論文20余篇，其中以第一或通訊作者在Advanced Science,、Biotechnology Advances,、Acta Pharmaceutica Sinica B、Molecular Therapy- Nucleic Acids 等高水平期刊發(fā)表論文10余篇,，含2篇 ESI 高被引論文；申請(qǐng)專利4件,，含授權(quán)專利2件,；著述專著1章；先后主持承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金,、博士后科學(xué)基金,、省級(jí)自然基金等多個(gè)項(xiàng)目。
論文詳情：
Tongren Yang#, Chunhui Li#, Xiaoxia Wang#, Deyao Zhao, Mengjie Zhang, Huiqing Cao, Zicai Liang, Haihua Xiao, Xing-Jie Liang, Yuhua Weng?, Yuanyu Huang?. Efficient hepatic delivery and protein expression enabled by optimized mRNA and ionizable lipid nanoparticle. Bioact Mater. 2020; 5(4):1053-1061.
DOI: 10.1016/j.bioactmat.2020.07.003
教師主頁(yè): http://arims.bit.edu.cn/xzdw/qnggjs/tbyjy/178349.htm
論文鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X20301304?via%3Dihub
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