北理工在可離子化脂質體實現mRNA治療方面取得進展


近日,北京理工大學前沿交叉科學研究院黃淵餘課題組在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》發表於生物醫學領域頂級期刊《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餘研究員和翁鬱華副研究員。

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、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中,美國Moderna、德國BioNTech等生物技術企業開發的mRNA疫苗均已獲得緊急使用授權,國內也有一些企業正基於mRNA平台開發新冠肺炎疫苗。

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圖1 研究示意圖

與質粒DNA相比,mRNA具有入胞後不需要進入細胞核、快速表達蛋白、不會整合到宿主基因組等優勢;與傳統蛋白分子相比,mRNA具有生產成本低、可塑性強、設計篩選迅速便捷等優點。但由於其分子量大(300-5000 kDa,1-15 kb)、帶負電荷、易降解,天然的mRNA較難進入細胞發揮作用。因此,迫切需要提高mRNA的穩定性、提高mRNA表達效率、開發合適的mRNA遞送系統。在mRNA製藥領域,mRNA的化學修飾和密碼子優化是提高mRNA穩定性的關鍵技術。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,並對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,遞送載體系統的pKa值處於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生相互作用,破壞內涵體膜穩定性,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,研究人員還對錶達促紅細胞生長素(Erythropoietin, EPO)的mRNA進行了密碼子優化,並在體外轉錄時進行抗反向帽類似物(ARCA)加帽和poly(A)加尾。數據證明,密碼子優化的EPO mRNA的蛋白表達效率顯著高於未進行密碼子優化的EPO mRNA(圖1)。

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圖2 iLP171/mRNA在小鼠體內的分佈

進一步,研究人員將iLP171/mRNA製劑經尾靜脈注射到小鼠體內評估其體內效果。數據顯示,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系統後,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。

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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定表達,且在給藥後6 h達到峯值;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體內分佈結果一致。同樣地,iLP171/mEPO也在給藥後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化的mRNA遞送至肝實質細胞,高效表達目的蛋白,並擁有良好的安全性。該研究為貧血疾病的治療以及mRNA藥物或疫苗的開發奠定了基礎。


附作者簡介:

黃淵餘,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新診治技術研究。目前在Nano Today、Adv Funct Mater、Nano Lett、Biotechnol Adv等期刊發表SCI論文50餘篇;其中第一或通訊作者論文30餘篇,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。先後主持國家自然科學基金等項目10餘項。入選北京市科技新星(2020)、北京市科協先進工作者(2020)、北京市科協青年託舉人才(2019),獲得中美納米醫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祕書長、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。

翁鬱華,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、測試與開發了多種類型的核酸藥物載體和納米藥物,併產生了一些有意義的發現。至今共發表論文20餘篇,其中以第一或通訊作者在Advanced Science、Biotechnology Advances、Acta Pharmaceutica Sinica B、Molecular Therapy- Nucleic Acids 等高水平期刊發表論文10餘篇,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;先後主持承擔國家自然科學基金青年基金、博士後科學基金、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: //arims.bit.edu.cn/xzdw/qnggjs/tbyjy/178349.htm

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


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