解锁mRNA治疗药物前景

2022-11-29

2019年COVID-19 mRNA疫苗取得了巨大的成功，重新引起了人们对mRNA作为传递治疗蛋白质的兴趣。mRNA治疗的早期临床试验包括对心力衰竭患者旁分泌血管内皮生长因子（VEGF）mRNA和先天性肝脏特异性储存疾病患者CRISPR–Cas9 mRNA的研究。

2019年COVID-19 mRNA疫苗取得了巨大的成功，重新引起了人们对mRNA作为传递治疗蛋白质的兴趣。mRNA治疗的早期临床试验包括对 心力衰竭患者旁分泌血管内皮生长因子（VEGF）mRNA和先天性肝脏特异性储存疾病患者CRISPR–Cas9 mRNA 的研究。然而，在mRNA被确立为一种与罕见病和常见病广泛相关的通用治疗模式之前，一系列挑战仍有待解决。目前正在开发一系列新技术来克服这些挑战，包括优化mRNA cargo的方法、具有固有组织倾向性的脂质载体和体内经皮递送系统。这些进展的整合可能会解锁生物靶向mRNA治疗的前景，超越疫苗和其他免疫刺激剂，用于治疗各种临床适应症。相比于mRNA疫苗，mRNA治疗药物的研发有着额外的挑战（见图1）。

图1：mRNA疫苗和mRNA治疗研发对比路径图

尽管存在很大的挑战性，近年来仍有新的技术不断涌现。该综述调研了最优前途的新技术：第一部分讨论了 mRNA cargo的设计和纯化 来加强体内蛋白生产的持续时间和幅度。这些方法包括mRNA的主要化学结构设计的进展、环状和自扩增mRNA的新形式以及改进的纯化策略；第二部分探讨了改进的mRNA包装系统，以增强mRNA cargo的递送，包括可电离的LNP、细胞和基于细胞的细胞外囊泡；第三部分讨论了靶向特定组织的mRNA治疗的新方法，如用于输送到心脏、胰腺和肾脏的经皮导管，以及具有组织特异性取向的包装系统工程；第四部分考虑了允许重复给药治疗慢性病的策略；第五部分提供了mRNA治疗的当前临床趋势的综合表格和总结；最后讨论了mRNA治疗的范围以及这种新型治疗模式的近期和长期临床开发。

加强蛋白产率

mRNA固有的免疫原性，虽然加强了作为疫苗的有效性，但是阻碍了作为需要更高水平蛋白表达的治疗药物。对高水平蛋白质表达的需求导致了优化mRNA载量的多种策略，以最小化先天免疫反应，增强mRNA稳定性并最大化翻译（见图2）。然而，对于任何给定的适应症，mRNA cargo的性质必须与递送系统的效率（例如，直接注射与全身注射）以及感兴趣蛋白的作用方式相关。

图2：增强蛋白表达效率的mRNA的改造

包装系统

mRNA固有的 不稳定性 需要包装/递送系统来保护其免受核酸酶降解，并允许有效的细胞摄取、细胞内释放和翻译成蛋白质（见图3a）。大多数正在开发的mRNA治疗方法都 依赖于LNPs ， 60多年前就有了初步报道。此后，LNPs经历了许多变化和进步，最终在临床上首次用于 递送小干扰RNA （siRNA）。同时，基于细胞、细胞外囊泡 和 仿生囊泡 的包装系统正在开发，并在临床前研究中作为替代方法进行验证。

图3：mRNA的分子运输系统

组织靶向

实现mRNA治疗的全部潜力需要更先进的 体内递送系统 ，尤其是对于心脏、肾脏、大脑和肺等实体器官。对于大多数分子治疗来说，肝脏是最容易输送的器官，其有孔的脉管系统有助于有效的均匀输送和大颗粒的通过。因此，简单的静脉内给药能够使mRNA cargo在肝脏中有效表达并具有相应的蛋白质治疗水平（补充表1）。然而靶向除肝脏以外的大多数器官需要改进的递送系统，无论是直接通过导管还是通过具有适当取向的包装系统的工程。每一个器官都有其自身的优势和障碍来实现高效输送。

补充表1：mRNA治疗药物临床前

慢性病给药

在保持高蛋白产量的同时， 特异性 和 有效地重复递送mRNA 的能力是mRNA从疫苗向治疗药物过渡的关键要求。依靠重组蛋白的酶替代疗法生动地说明了这一点。例如，由于缺乏凝血蛋白导致的血友病A和B血液疾病通常通过每周3–7次分别全身注射因子VIII或因子IX重组蛋白来治疗，其半衰期相对较短，约为12小时。小鼠的临床前研究表明，该方案可由每周单次全身注射0.2–0.5 mg/kg替代线性修饰mRNA，同时保持蛋白质水平高于临床相关阈值（补充表1）。在另一种方法中，使用AAV载体的基于DNA的血友病基因治疗的临床结果显示，在最初的2年中，蛋白质水平增加，之后趋于稳定。最近的数据表明，由于病毒载体的免疫排斥， 5-7年后需要补充 。病毒载体有其自身的安全问题，尤其是在儿科适应症中。

与蛋白质药物相比，mRNA治疗的真正附加值是 合成高水平细胞内蛋白质的能力 。这种体内方法能够直接靶向 代谢性疾病 ，如Crigler-Najjar综合征、甲基丙二酸血症、丙酸血症和囊性纤维化，这些疾病在技术上难以用蛋白质治疗（表1）。例如，目前对丙酸血症的治疗包括通过每天摄入100–250毫克/千克来激活尿素生成卡谷氨酸。虽然它减轻了氨的毒性积累，但它不能治疗潜在的代谢缺陷。相比之下，0.5–2 mg/kg的双剂量−在基因敲除的小鼠模型中，每3周一次的hPCCA和hPCCB mRNA中的1个显示血浆生物标志物和酶活性持续降低3个月，目前正在进行I期临床试验。

临床研究

mRNA疫苗已成功完成III期临床试验，并获得国际监管批准，而大多数mRNA治疗药物处于早期临床I期研究，主要关注安全性（表1）。鉴于mRNA疗法可以在全身或局部产生几乎所有的蛋白质，目前正在研究广泛的潜在疾病适应症和蛋白质类别。可通过mRNA递送的蛋白质类别包括酶蛋白、受体、细胞内蛋白、线粒体膜蛋白、分泌蛋白和基因编辑蛋白（表2）。迄今为止，只有两项临床研究在安全性和有效性信号方面取得了令人鼓舞的结果： VEGF mRNA用于心力衰竭，mRNA编码CRISPR–Cas9用于遗传性淀粉样变 。

表1：mRNA治疗药物临床进展

表2：mRNA治疗的不同种类总结

结论

三十年来的科学和临床进展，加上研制mRNA COVID -19疫苗的巨大努力，预示着 mRNA疗法的未来将大有可为 。如上所述，编码任何蛋白质的mRNA都可以在临床级别以 自动化、可扩展、无细胞 的格式快速制作。在不久的将来生成模块化、可扩展的良好生产规范（GMP）生产单元，可在任何GMP设施中设置，无需冷链运输。mRNA治疗的冷冻干燥即将出现，并将在很大程度上消除当前COVID -19 mRNA疫苗存在的运输问题。随着新的LNP和非LNP载体的开发，副作用得到改善。随着重复给药，复杂的基因和碱基编辑可能变得可行，以培养一种新的酶替代治疗方法。

mRNA药物的未来可能取决于将这种“生命软件”与人类生理系统的生物“硬件”进行匹配，以提高精确度、延长持续时间，并选择具有可耐受安全性的长期给药。在未来几年中，细胞内载体和体内递送系统，加上生物学和临床洞察力和直觉，应该为许多未满足临床需求的患者提供新的希望。

参考文献：

Eduarde Rohner , Ran Yang, Kylie S. Foo,et al, Unlocking the promise of mRNA, Therapeutics, nature biotechnology, volume 40, 2022.10, 1586-1600