利用mRNA作為疫苗和藥物來(lái)預(yù)防或治療某些疾病正逐漸成為制藥企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

通過(guò)將稱為信使RNA（mRNA）的遺傳物質(zhì)輸送到細(xì)胞中，科學(xué)家們可以誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生由mRNA編碼的任何蛋白質(zhì)。這種技術(shù)具有很大的潛力來(lái)發(fā)展疫苗或治療諸如癌癥的疾病，但是實(shí)現(xiàn)mRNA的有效遞送是實(shí)現(xiàn)其臨床轉(zhuǎn)化的一大挑戰(zhàn)。

近日，麻省理工學(xué)院（MIT）化學(xué)工程系研究人員從細(xì)胞將自身的mRNA轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的方式獲得靈感，設(shè)計(jì)了一種合成體系用于mRNA輸送，其效力比單獨(dú)使用mRNA高4倍。

“我們需要一種更有效的機(jī)制運(yùn)送mRNA，而以往的方法運(yùn)送效率很低。” 該工作的通訊作者Paula Hammond博士說(shuō)。她是MIT化學(xué)工程系主任，David H. Koch榮譽(yù)教授，同時(shí)是MIT Koch癌癥研究所教授。這項(xiàng)工作日前發(fā)表在《應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie）期刊上。該論文的共同第一作者是博士后Jiahe Li和博士生Yanpu He。

蛋白質(zhì)機(jī)器

mRNA將不能離開(kāi)細(xì)胞核的DNA所攜帶的基因指示傳遞給位于細(xì)胞質(zhì)中的核糖體，核糖體基于mRNA序列組裝蛋白質(zhì)。mRNA作為治療疾病或遞送疫苗的潛在手段非常有吸引力，因?yàn)楫?dāng)mRNA鏈被翻譯成所需蛋白質(zhì)之后，它最終會(huì)被降解。

“mRNA治療不會(huì)改變患者的基因，”Hammond博士說(shuō)。 “不會(huì)發(fā)生基于DNA的基因治療可能發(fā)生的基因組整合，所以安全系數(shù)要高得多。”

為使治療有效，mRNA必須有效地進(jìn)入細(xì)胞，一旦進(jìn)入細(xì)胞，mRNA就需要到達(dá)核糖體才能作為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。在以前的研究中，MIT的研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以通過(guò)將蛋白質(zhì)帽連接到mRNA鏈的一端來(lái)提高mRNA翻譯的速度。這個(gè)帽幫助mRNA形成一個(gè)需要啟動(dòng)翻譯的復(fù)合體。

在這次發(fā)表的新研究中，她們把注意力放在mRNA分子的另一端。自然發(fā)生的mRNA通常具有長(zhǎng)的“poly-A尾”，由長(zhǎng)序列的腺苷重復(fù)組成，有助于穩(wěn)定mRNA分子并幫助其抵抗被細(xì)胞中的酶分解。Hammond博士團(tuán)隊(duì)決定將一種稱為poly-A結(jié)合蛋白的蛋白質(zhì)附于該尾部。這種在細(xì)胞中天然存在的蛋白質(zhì)有助于mRNA結(jié)合核糖體并開(kāi)始翻譯過(guò)程。

然后，她們用一種稱為多肽的聚合物包被該復(fù)合物，所使用的多肽是串聯(lián)在一起的一系列經(jīng)修飾的氨基酸。該多肽有助于保持多聚A結(jié)合蛋白和mRNA緊密接觸，并且有助于中和帶負(fù)電荷的mRNA。如果不通過(guò)中和，帶負(fù)電荷的mRNA不能通過(guò)細(xì)胞膜。

一旦聚合物包被的mRNA進(jìn)入細(xì)胞，poly-A結(jié)合蛋白會(huì)保護(hù)它不被分解，并幫助它與核糖體結(jié)合。 這時(shí)的mRNA形成閉環(huán)，使得核糖體可以在其上循環(huán)多次，產(chǎn)生多拷貝的目標(biāo)蛋白。這一設(shè)計(jì)中，通過(guò)與更經(jīng)濟(jì)的合成多肽和蛋白質(zhì)組合，可以顯著增強(qiáng)昂貴的mRNA的治療作用。

“傳統(tǒng)的方法只是將mRNA遞送到細(xì)胞中，”Jiahe Li博士說(shuō)。 “但是，一旦mRNA進(jìn)入細(xì)胞，它可能會(huì)被降解，所以我們組裝的復(fù)合體對(duì)啟動(dòng)mRNA翻譯至關(guān)重要。”

沒(méi)有參與此項(xiàng)研究的美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)（Ohio State University）藥物和載藥系統(tǒng)教授Peixuan Guo說(shuō)，這一方法也有助于克服傳遞mRNA的另一個(gè)挑戰(zhàn)：分子非常大。“Paula Hammond博士的研究小組在本文中的研究結(jié)果證明，通過(guò)使用poly-A結(jié)合蛋白可以有效地傳遞mRNA。 這項(xiàng)技術(shù)顯示了有效載藥量的大幅增加，為mRNA治療鋪平了道路。”

蛋白質(zhì)表達(dá)增高

研究人員通過(guò)將編碼熒光素酶基因（一種發(fā)光的蛋白質(zhì)）的mRNA遞送到小鼠的肺部來(lái)測(cè)試該系統(tǒng)。他們發(fā)現(xiàn)，使用這種傳遞方法，細(xì)胞產(chǎn)生的蛋白質(zhì)量提高4倍。

研究人員認(rèn)為，該系統(tǒng)更有效率的一個(gè)原因是，在mRNA進(jìn)入細(xì)胞后，它不再需要在擁擠的細(xì)胞質(zhì)環(huán)境中尋找poly-A結(jié)合蛋白。“我們意識(shí)到，細(xì)胞內(nèi)的poly-A結(jié)合蛋白可能只夠來(lái)翻譯自己的mRNA，一旦你給予過(guò)量的mRNA，細(xì)胞就沒(méi)有足夠的這種輔助蛋白來(lái)幫助它翻譯。我們意識(shí)到我們需要給它更多的輔助蛋白，與我們的多肽預(yù)先組裝起來(lái)以模擬蛋白質(zhì)合成時(shí)的結(jié)構(gòu)，然后將該仿生組件共同遞送到細(xì)胞中。“

在這項(xiàng)研究中，由于多肽的正電荷，mRNA復(fù)合體顆粒附著到紅細(xì)胞上，并富集到肺部。研究人員現(xiàn)在計(jì)劃探索用聚合物修飾顆粒，從而將聚合物引導(dǎo)到體內(nèi)的其他位置，例如腫瘤。他們還通過(guò)向一端添加疏水尾巴，以及通過(guò)連接PEG的聚合物來(lái)進(jìn)一步改善多肽分子的穩(wěn)定性。這些修改都應(yīng)該有助于分子在體內(nèi)循環(huán)更長(zhǎng)時(shí)間，使其達(dá)到預(yù)定目的地。

鑒于已經(jīng)有mRNA疫苗在1期臨床中展現(xiàn)了積極的結(jié)果，此項(xiàng)提高mRNA治療效率的研究成果必將進(jìn)一步推動(dòng)mRNA藥物的研發(fā)。我們期待有更多的新型藥物進(jìn)入到市場(chǎng)中，幫人們更好地管理健康，攻克頑疾。

原標(biāo)題：MIT新突破：可提高mRNA療法效率達(dá)4倍