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前沿交叉院黄渊余课题组在可离子化脂质体实现mRNA治疗方面取得进展

来源: 发布日期: 2020-12-29

近日,北京理工大学前沿交叉科学研究院黄渊余课题组在mRNA递送及其在肝组织高效表达方面取得重要研究进展。该研究成果以《Efficient hepatic delivery and protein expression enabled by optimized mRNA and ionizable lipid nanoparticle》发表于生物医学领域顶级期刊《Bioactive Materials》(中国卓越期刊高起点期刊,IF2019=8.724,即时IF>12)。该论文第一作者为北京理工大学生命学院/前沿交叉院博士研究生杨同仁、李春辉及北京大学王晓霞博士,通讯作者为北京理工大学黄渊余研究员和翁郁华副研究员。

理论上,信使RNA(mRNA)具有表达任何蛋白质的能力,因此mRNA疗法在疫苗研发、蛋白质替代治疗、表达抗体治疗、肿瘤免疫治疗及改造CAT-T细胞等细胞疗法等方向均有广阔的应用前景。目前新冠肺炎的疫苗研发中,美国Moderna、德国BioNTech等生物技术企业开发的mRNA疫苗均已获得紧急使用授权,国内也有一些企业正基于mRNA平台开发新冠肺炎疫苗。

与质粒DNA相比,mRNA具有入胞后不需要进入细胞核、快速表达蛋白、不会整合到宿主基因组等优势;与传统蛋白分子相比,mRNA具有生产成本低、可塑性强、设计筛选迅速便捷等优点。但由于其分子量大(300-5000 kDa,1-15 kb)、带负电荷、易降解,天然的mRNA较难进入细胞发挥作用。因此,迫切需要提高mRNA的稳定性、提高mRNA表达效率、开发合适的mRNA递送系统。在mRNA制药领域,mRNA的化学修饰和密码子优化是提高mRNA稳定性的关键技术。在递送方面,可电离脂质纳米颗粒(iLNP)是最具应用前景的核酸递送载体。已获批上市的全球第一种siRNA药物Onpattro®和上述Moderna、BioNTech开发的新冠肺炎mRNA疫苗都是脂质体制剂。在这项研究中,研究人员探究了一种可离子化的脂质纳米体系iLP171,并对iLP171递送mRNA的效率和蛋白质表达情况进行了体外和体内研究(图1)。

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图1 研究示意图

已有研究证明,递送载体系统的pKa值处于6.0至6.5时,通常可响应内涵体pH值改变迅速离子化,从而与内涵体膜成分中的磷脂成分发生相互作用,破坏内涵体膜稳定性,促使核酸分子从内涵体中逃逸到细胞质,同时释放核酸分子。该研究证明iLP171体系的pKa值为6.28,完全符合可离子化脂质体的要求。为了使mRNA具有最佳的蛋白质翻译效率,研究人员还对表达促红细胞生长素(Erythropoietin, EPO)的mRNA进行了密码子优化,并在体外转录时进行抗反向帽类似物(ARCA)加帽和poly(A)加尾。数据证明,密码子优化的EPO mRNA的蛋白表达效率显著高于未进行密码子优化的EPO mRNA(图1)。

进一步,研究人员将iLP171/mRNA制剂经尾静脉注射到小鼠体内评估其体内效果。数据显示,iLP171/mRNA主要积聚在肝脏(如红圈所示)和肾脏(图2a和2b),对全身(图 2c)和分离脏器(图2d-f)的荧光定量分析进一步证实了这些结果。有研究表明,可离子化的核酸脂质体进入血液循环系统后,可能与载脂蛋白E(ApoE)结合,从而识别肝实质细胞表达的低密度脂蛋白受体(LDLR),实现主动肝靶向递送过程。肾脏的富集则因为核酸脂质体主要通过肾脏清除。

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图2 iLP171/mRNA在小鼠体内的分布

研究人员进一步考察了iLP171/mLuc(表达荧光素酶的mRNA)在小鼠体内的蛋白表达情况。结果表明,荧光素酶主要在肝脏中稳定表达,且在给药后6 h达到峰值;在脾脏有少量表达,在其他器官中几乎不表达(图3a-c)。这些结果与iLP171/mRNA体内分布结果一致。同样地,iLP171/mEPO也在给药后6 h在血液中达到最高浓度,这表明mRNA的递送、蛋白翻译以及蛋白质的分泌过程均非常高效和迅速(图3d)。同时,该论文还研究了该脂质体核酸体系的体内安全性,病理切片、血清生化等指标均表明该体系拥有良好的体内安全性。

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图3 iLP171/ mRNA在小鼠体内蛋白表达情况

综上所述,此项研究证明了iLP171可高效地将密码子优化的mRNA递送至肝实质细胞,高效表达目的蛋白,并拥有良好的安全性。该研究为贫血疾病的治疗以及mRNA药物或疫苗的开发奠定了基础。

作者简介:

黄渊余,北京理工大学研究员、课题组长、博士生导师。研究兴趣主要围绕核酸技术与药物展开,包括核酸药物(如siRNA、mRNA等)的设计筛选、药物递送以及重大疾病的创新诊治技术研究。目前在Nano Today、Adv Funct Mater、Nano Lett、Biotechnol Adv等期刊发表SCI论文50余篇;其中第一或通讯作者论文30余篇,含IF>10论文13篇、ESI高被引论文3篇。著述专著6章、中文教材1部;申请专利6件,含授权PCT专利2件。先后主持国家自然科学基金等项目10余项。入选北京市科技新星(2020)、北京市科协先进工作者(2020)、北京市科协青年托举人才(2019),获得中美纳米医学与纳米生物技术学会“未来之星”奖(2019)、教育部学术新人等荣誉。是中国生物物理学会纳米生物学分会秘书长、理事,另4个学会理事或委员;是Advances(Wiley合作新刊)副主编、Chinese Chemical Letters等多个期刊编委。

翁郁华,北京理工大学副研究员,硕士生导师。研究方向为核酸药物递送技术和诊疗一体化纳米药物。设计、测试与开发了多种类型的核酸药物载体和纳米药物,并产生了一些有意义的发现。至今共发表论文20余篇,其中以第一或通讯作者在Advanced Science、Biotechnology Advances、Acta Pharmaceutica Sinica B、Molecular Therapy- Nucleic Acids 等高水平期刊发表论文10余篇,含2篇 ESI 高被引论文;申请专利4件,含授权专利2件;著述专著1章;先后主持承担国家自然科学基金青年基金、博士后科学基金、省级自然基金等多个项目。

论文详情:

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

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

论文链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X20301304?via%3Dihub