近日，意昂3官网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👌。該研究意昂3平台以《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）。該論文第一作者為意昂3官网生命學院/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🐿，通訊作者為意昂3官网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、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平臺開發新冠肺炎疫苗。

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疫苗都是脂質體製劑。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👩🏻‍⚖️，研究人員還對表達促紅細胞生長素（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）。

圖2 iLP171/mRNA在小鼠體內的分布

進一步💁🦂，研究人員將iLP171/mRNA製劑經尾靜脈註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。

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：

黃淵余👆🏽，意昂3官网研究員、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𓀔；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余項🦤。入選北京市科技新星（2020）、北京市科協先進工作者（2020）、北京市科協青年托舉人才（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，意昂3官网副研究員🍲，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，並產生了一些有意義的發現。至今共發表論文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: http://arims.bit.edu.cn/xzdw/qnggjs/tbyjy/178349.htm

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