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MIT新突破:可提高mRNA疗法效率达4倍
来源:药明康德   发布者:尹海华   日期:2017-09-25   今日/总浏览:8/1016

利用mRNA作为疫苗和药物来预防或治疗某些疾病正逐渐成为制药企业关注的焦点。

通过将称为信使RNA(mRNA)的遗传物质输送到细胞中,科学家们可以诱导细胞产生由mRNA编码的任何蛋白质。这种技术具有很大的潜力来发展疫苗或治疗诸如癌症的疾病,但是实现mRNA的有效递送是实现其临床转化的一大挑战。

近日,麻省理工学院(MIT)化学工程系研究人员从细胞将自身的mRNA转化为蛋白质的方式获得灵感,设计了一种合成体系用于mRNA输送,其效力比单独使用mRNA高4倍。

▲本研究的主要负责人Paula Hammond博士(图片来源:The Boston Globe)

“我们需要一种更有效的机制运送mRNA,而以往的方法运送效率很低。” 该工作的通讯作者Paula Hammond博士说。她是MIT化学工程系主任,David H. Koch荣誉教授,同时是MIT Koch癌症研究所教授。这项工作日前发表在《应用化学》(Angewandte Chemie)期刊上。该论文的共同第一作者是博士后Jiahe Li和博士生Yanpu He。

蛋白质机器

mRNA将不能离开细胞核的DNA所携带的基因指示传递给位于细胞质中的核糖体,核糖体基于mRNA序列组装蛋白质。mRNA作为治疗疾病或递送疫苗的潜在手段非常有吸引力,因为当mRNA链被翻译成所需蛋白质之后,它最终会被降解。

“mRNA治疗不会改变患者的基因,”Hammond博士说。 “不会发生基于DNA的基因治疗可能发生的基因组整合,所以安全系数要高得多。”

为使治疗有效,mRNA必须有效地进入细胞,一旦进入细胞,mRNA就需要到达核糖体才能作为模板指导蛋白质合成。在以前的研究中,MIT的研究人员发现,他们可以通过将蛋白质帽连接到mRNA链的一端来提高mRNA翻译的速度。这个帽帮助mRNA形成一个需要启动翻译的复合体。

▲普通mRNA的结构(图片来源:维基百科)

在这次发表的新研究中,她们把注意力放在mRNA分子的另一端。自然发生的mRNA通常具有长的“poly-A尾”,由长序列的腺苷重复组成,有助于稳定mRNA分子并帮助其抵抗被细胞中的酶分解。Hammond博士团队决定将一种称为poly-A结合蛋白的蛋白质附于该尾部。这种在细胞中天然存在的蛋白质有助于mRNA结合核糖体并开始翻译过程。

然后,她们用一种称为多肽的聚合物包被该复合物,所使用的多肽是串联在一起的一系列经修饰的氨基酸。该多肽有助于保持多聚A结合蛋白和mRNA紧密接触,并且有助于中和带负电荷的mRNA。如果不通过中和,带负电荷的mRNA不能通过细胞膜。

一旦聚合物包被的mRNA进入细胞,poly-A结合蛋白会保护它不被分解,并帮助它与核糖体结合。 这时的mRNA形成闭环,使得核糖体可以在其上循环多次,产生多拷贝的目标蛋白。这一设计中,通过与更经济的合成多肽和蛋白质组合,可以显著增强昂贵的mRNA的治疗作用。

▲本研究的共同第一作者Jiahe Li博士(图片来源:MIT)

“传统的方法只是将mRNA递送到细胞中,”Jiahe Li博士说。 “但是,一旦mRNA进入细胞,它可能会被降解,所以我们组装的复合体对启动mRNA翻译至关重要。”

没有参与此项研究的美国俄亥俄州立大学(Ohio State University)药物和载药系统教授Peixuan Guo说,这一方法也有助于克服传递mRNA的另一个挑战:分子非常大。“Paula Hammond博士的研究小组在本文中的研究结果证明,通过使用poly-A结合蛋白可以有效地传递mRNA。 这项技术显示了有效载药量的大幅增加,为mRNA治疗铺平了道路。”

蛋白质表达增高

研究人员通过将编码荧光素酶基因(一种发光的蛋白质)的mRNA递送到小鼠的肺部来测试该系统。他们发现,使用这种传递方法,细胞产生的蛋白质量提高4倍。

研究人员认为,该系统更有效率的一个原因是,在mRNA进入细胞后,它不再需要在拥挤的细胞质环境中寻找poly-A结合蛋白。“我们意识到,细胞内的poly-A结合蛋白可能只够来翻译自己的mRNA,一旦你给予过量的mRNA,细胞就没有足够的这种辅助蛋白来帮助它翻译。我们意识到我们需要给它更多的辅助蛋白,与我们的多肽预先组装起来以模拟蛋白质合成时的结构,然后将该仿生组件共同递送到细胞中。“

在这项研究中,由于多肽的正电荷,mRNA复合体颗粒附着到红细胞上,并富集到肺部。研究人员现在计划探索用聚合物修饰颗粒,从而将聚合物引导到体内的其他位置,例如肿瘤。他们还通过向一端添加疏水尾巴,以及通过连接PEG的聚合物来进一步改善多肽分子的稳定性。这些修改都应该有助于分子在体内循环更长时间,使其达到预定目的地。

▲这项研究有望推进mRNA药物的开发(图片来源:MIT)

鉴于已经有mRNA疫苗在1期临床中展现了积极的结果,此项提高mRNA治疗效率的研究成果必将进一步推动mRNA药物的研发。我们期待有更多的新型药物进入到市场中,帮人们更好地管理健康,攻克顽疾。


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