利用mRNA作為疫苗和藥物來預防或治療某些疾病正逐漸成為制藥企業(yè)關注的焦點。

通過將稱為信使RNA（mRNA）的遺傳物質輸送到細胞中，科學家們可以誘導細胞產生由mRNA編碼的任何蛋白質。這種技術具有很大的潛力來發(fā)展疫苗或治療諸如癌癥的疾病，但是實現(xiàn)mRNA的有效遞送是實現(xiàn)其臨床轉化的一大挑戰(zhàn)。

近日，麻省理工學院（MIT）化學工程系研究人員從細胞將自身的mRNA轉化為蛋白質的方式獲得靈感，設計了一種合成體系用于mRNA輸送，其效力比單獨使用mRNA高4倍。

“我們需要一種更有效的機制運送mRNA，而以往的方法運送效率很低。” 該工作的通訊作者Paula Hammond博士說。她是MIT化學工程系主任，David H. Koch榮譽教授，同時是MIT Koch癌癥研究所教授。這項工作日前發(fā)表在《應用化學》（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。

蛋白質機器

mRNA將不能離開細胞核的DNA所攜帶的基因指示傳遞給位于細胞質中的核糖體，核糖體基于mRNA序列組裝蛋白質。mRNA作為治療疾病或遞送疫苗的潛在手段非常有吸引力，因為當mRNA鏈被翻譯成所需蛋白質之后，它最終會被降解。

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

為使治療有效，mRNA必須有效地進入細胞，一旦進入細胞，mRNA就需要到達核糖體才能作為模板指導蛋白質合成。在以前的研究中，MIT的研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以通過將蛋白質帽連接到mRNA鏈的一端來提高mRNA翻譯的速度。這個帽幫助mRNA形成一個需要啟動翻譯的復合體。

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通常具有長的“poly-A尾”，由長序列的腺苷重復組成，有助于穩(wěn)定mRNA分子并幫助其抵抗被細胞中的酶分解。Hammond博士團隊決定將一種稱為poly-A結合蛋白的蛋白質附于該尾部。這種在細胞中天然存在的蛋白質有助于mRNA結合核糖體并開始翻譯過程。

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

一旦聚合物包被的mRNA進入細胞，poly-A結合蛋白會保護它不被分解，并幫助它與核糖體結合。 這時的mRNA形成閉環(huán)，使得核糖體可以在其上循環(huán)多次，產生多拷貝的目標蛋白。這一設計中，通過與更經濟的合成多肽和蛋白質組合，可以顯著增強昂貴的mRNA的治療作用。

“傳統(tǒng)的方法只是將mRNA遞送到細胞中，”Jiahe Li博士說。 “但是，一旦mRNA進入細胞，它可能會被降解，所以我們組裝的復合體對啟動mRNA翻譯至關重要。”

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

蛋白質表達增高

研究人員通過將編碼熒光素酶基因（一種發(fā)光的蛋白質）的mRNA遞送到小鼠的肺部來測試該系統(tǒng)。他們發(fā)現(xiàn)，使用這種傳遞方法，細胞產生的蛋白質量提高4倍。

研究人員認為，該系統(tǒng)更有效率的一個原因是，在mRNA進入細胞后，它不再需要在擁擠的細胞質環(huán)境中尋找poly-A結合蛋白。“我們意識到，細胞內的poly-A結合蛋白可能只夠來翻譯自己的mRNA，一旦你給予過量的mRNA，細胞就沒有足夠的這種輔助蛋白來幫助它翻譯。我們意識到我們需要給它更多的輔助蛋白，與我們的多肽預先組裝起來以模擬蛋白質合成時的結構，然后將該仿生組件共同遞送到細胞中。“

在這項研究中，由于多肽的正電荷，mRNA復合體顆粒附著到紅細胞上，并富集到肺部。研究人員現(xiàn)在計劃探索用聚合物修飾顆粒，從而將聚合物引導到體內的其他位置，例如腫瘤。他們還通過向一端添加疏水尾巴，以及通過連接PEG的聚合物來進一步改善多肽分子的穩(wěn)定性。這些修改都應該有助于分子在體內循環(huán)更長時間，使其達到預定目的地。

鑒于已經有mRNA疫苗在1期臨床中展現(xiàn)了積極的結果，此項提高mRNA治療效率的研究成果必將進一步推動mRNA藥物的研發(fā)。我們期待有更多的新型藥物進入到市場中，幫人們更好地管理健康，攻克頑疾。

原標題：MIT新突破：可提高mRNA療法效率達4倍