北理工在可離子化脂質體實現(xiàn)mRNA治療方面取得進展

發(fā)布日期：2020-12-29 供稿：前沿交叉科學研究院

編輯：朱倩云審核：唐水源閱讀次數(shù)：

近日，北京理工大學前沿交叉科學研究院黃淵余課題組在mRNA遞送及其在肝組織高效表達方面取得重要研究進展。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)學領域頂級期刊《Bioactive Materials》（中國卓越期刊高起點期刊，IF2019=8.724，即時IF>12）。該論文第一作者為北京理工大學生命學院/前沿交叉院博士研究生楊同仁、李春輝及北京大學王曉霞博士，通訊作者為北京理工大學黃淵余研究員和翁郁華副研究員。

理論上，信使RNA（mRNA）具有表達任何蛋白質的能力，因此mRNA療法在疫苗研發(fā)、蛋白質替代治療、表達抗體治療、腫瘤免疫治療及改造CAT-T細胞等細胞療法等方向均有廣闊的應用前景。目前新冠肺炎的疫苗研發(fā)中，美國Moderna、德國BioNTech等生物技術企業(yè)開發(fā)的mRNA疫苗均已獲得緊急使用授權，國內也有一些企業(yè)正基于mRNA平臺開發(fā)新冠肺炎疫苗。

1_副本.png

圖1 研究示意圖

與質粒DNA相比，mRNA具有入胞后不需要進入細胞核、快速表達蛋白、不會整合到宿主基因組等優(yōu)勢；與傳統(tǒng)蛋白分子相比，mRNA具有生產成本低、可塑性強、設計篩選迅速便捷等優(yōu)點。但由于其分子量大（300-5000 kDa，1-15 kb）、帶負電荷、易降解，天然的mRNA較難進入細胞發(fā)揮作用。因此，迫切需要提高mRNA的穩(wěn)定性、提高mRNA表達效率、開發(fā)合適的mRNA遞送系統(tǒng)。在mRNA制藥領域，mRNA的化學修飾和密碼子優(yōu)化是提高mRNA穩(wěn)定性的關鍵技術。在遞送方面，可電離脂質納米顆粒（iLNP）是最具應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開發(fā)的新冠肺炎mRNA疫苗都是脂質體制劑。在這項研究中，研究人員探究了一種可離子化的脂質納米體系iLP171，并對iLP171遞送mRNA的效率和蛋白質表達情況進行了體外和體內研究（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，通常可響應內涵體pH值改變迅速離子化，從而與內涵體膜成分中的磷脂成分發(fā)生相互作用，破壞內涵體膜穩(wěn)定性，促使核酸分子從內涵體中逃逸到細胞質，同時釋放核酸分子。該研究證明iLP171體系的pKa值為6.28，完全符合可離子化脂質體的要求。為了使mRNA具有最佳的蛋白質翻譯效率，研究人員還對表達促紅細胞生長素（Erythropoietin, EPO）的mRNA進行了密碼子優(yōu)化，并在體外轉錄時進行抗反向帽類似物（ARCA）加帽和poly(A)加尾。數(shù)據(jù)證明，密碼子優(yōu)化的EPO mRNA的蛋白表達效率顯著高于未進行密碼子優(yōu)化的EPO mRNA（圖1）。

2_副本.png

圖2 iLP171/mRNA在小鼠體內的分布

進一步，研究人員將iLP171/mRNA制劑經尾靜脈注射到小鼠體內評估其體內效果。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），對全身（圖 2c）和分離臟器（圖2d-f）的熒光定量分析進一步證實了這些結果。有研究表明，可離子化的核酸脂質體進入血液循環(huán)系統(tǒng)后，可能與載脂蛋白E（ApoE）結合，從而識別肝實質細胞表達的低密度脂蛋白受體（LDLR），實現(xiàn)主動肝靶向遞送過程。腎臟的富集則因為核酸脂質體主要通過腎臟清除。

3_副本.png

圖3 iLP171/ mRNA在小鼠體內蛋白表達情況

研究人員進一步考察了iLP171/mLuc（表達熒光素酶的mRNA）在小鼠體內的蛋白表達情況。結果表明，熒光素酶主要在肝臟中穩(wěn)定表達，且在給藥后6 h達到峰值；在脾臟有少量表達，在其他器官中幾乎不表達（圖3a-c）。這些結果與iLP171/mRNA體內分布結果一致。同樣地，iLP171/mEPO也在給藥后6 h在血液中達到最高濃度，這表明mRNA的遞送、蛋白翻譯以及蛋白質的分泌過程均非常高效和迅速（圖3d）。同時，該論文還研究了該脂質體核酸體系的體內安全性，病理切片、血清生化等指標均表明該體系擁有良好的體內安全性。

綜上所述，此項研究證明了iLP171可高效地將密碼子優(yōu)化的mRNA遞送至肝實質細胞，高效表達目的蛋白，并擁有良好的安全性。該研究為貧血疾病的治療以及mRNA藥物或疫苗的開發(fā)奠定了基礎。

附作者簡介：

黃淵余，北京理工大學研究員、課題組長、博士生導師。研究興趣主要圍繞核酸技術與藥物展開，包括核酸藥物（如siRNA、mRNA等）的設計篩選、藥物遞送以及重大疾病的創(chuàng)新診治技術研究。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；申請專利6件，含授權PCT專利2件。先后主持國家自然科學基金等項目10余項。入選北京市科技新星（2020）、北京市科協(xié)先進工作者（2020）、北京市科協(xié)青年托舉人才（2019），獲得中美納米醫(yī)學與納米生物技術學會“未來之星”獎（2019）、教育部學術新人等榮譽。是中國生物物理學會納米生物學分會秘書長、理事，另4個學會理事或委員；是Advances（Wiley合作新刊）副主編、Chinese Chemical Letters等多個期刊編委。

翁郁華，北京理工大學副研究員，碩士生導師。研究方向為核酸藥物遞送技術和診療一體化納米藥物。設計、測試與開發(fā)了多種類型的核酸藥物載體和納米藥物，并產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；申請專利4件，含授權專利2件；著述專著1章；先后主持承擔國家自然科學基金青年基金、博士后科學基金、省級自然基金等多個項目。

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: http://arims.bit.edu.cn/xzdw/qnggjs/tbyjy/178349.htm

論文鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X20301304?via%3Dihub

北理工在可離子化脂質體實現(xiàn)mRNA治療方面取得進展

最新新聞