Каковы текущие проблемы и будущие направления для наномедицины мРНК?

В недавнем обзоре, опубликованном в Природная медицинаИсследователи представили проблемы, связанные с клинической трансляцией технологии мРНК, недавними инновациями и будущими направлениями повышения клинической эффективности наномедицины мРНК.

Терапевтическая эффективность модифицированных нуклеозидами вакцин Pfizer-BioNTech и коронавирусной болезни 2019 (COVID-19) побудила к разработке мРНК-наномедицины для расширения терапевтического поля для многих заболеваний, таких как COVID-19 и рак. Научные достижения в разработке и доставке мРНК в значительной степени позволили решить проблемы, связанные с использованием мРНК в клинических условиях.

О обзоре

В этом обзоре исследователи представляют основные достижения в области наномедицины мРНК и связанные с ними проблемы, которые необходимо решить, чтобы раскрыть истинный терапевтический потенциал технологии мРНК.

Основные достижения в технологии мРНК

Мессенджерная РНК переносит генетическую информацию от дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) к рибосомам, где эта информация транслируется в белки. Доставка мРНК, экспрессирующих антигены рака или инфекционных заболеваний, компоненты, модифицирующие гены, или терапевтические белки, ассоциированные с заболеванием, делает возможным клиническое применение, такое как вакцины, редактирование генов и белковая терапия. мРНК была впервые обнаружена в 1961 году и передана по наследству. в естественных условиях Polymeric Particles в 1976 году; Два года спустя мРНК была доставлена ​​в клетки мыши и человека с помощью липосом.

В 1995 году вакцина против рака на основе мРНК была впервые испытана на мышах. Десять лет спустя исследования показали, что изменения в нуклеозидах снижают передачу сигналов толл-подобного рецептора (TLR) в ответ на активность мРНК. В период с 2008 по 2012 год исследования показали, что изменения в нуклеозидах могут ингибировать активацию 2′-5′-олигоаденилатсинтетазы и протеинкиназы R38 (PKR38), ингибировать расщепление, индуцированное рибонуклеазой (РНКазой) L51, и способствовать стабильности и трансляции мРНК.

В 2017 году состоялись клинические испытания противораковых вакцин на основе мРНК. Три года спустя новая коронавирусная вакцина-2 (SARS-CoV-2) BNT162b2 и мРНК-1273 была одобрена для экстренного использования правительством Соединенных Штатов (США). В 2021 году исследования показали, что липидные наночастицы (ЛНЧ) можно использовать в качестве адъювантов в мРНК-вакцинах против SARS-CoV-2.

Проблемы клинической трансляции технологии мРНК

Основными препятствиями для клинической трансляции мРНК являются стабильность, эффективность трансляции и иммуностимулирующий потенциал экзогенной мРНК. Современные методы синтеза мРНК не могут удалить примеси, такие как фрагменты РНК и двухцепочечные РНК, что снижает терапевтическую эффективность и вызывает нежелательные биологические реакции при клиническом применении. Более того, мРНК представляет собой большой отрицательно заряженный одноцепочечный полинуклеотид, который с трудом проходит через отрицательно заряженные клеточные мембраны.

После местной или системной доставки мРНК сталкиваются с такими проблемами, как быстрая деградация экзонуклеазой, дефазирование макрофагов и почечная дефильтрация. Большинство эндогенных мРНК захватываются эндосомами и могут быть обнаружены внутриклеточными РНК-сенсорами (TLR3, TLR7 и TLR8) и клеточными РНК-сенсорами (такими как ген I, индуцируемый ретиноевой кислотой (RIG-I), и ассоциированный с меланомой белок 5 (MDA5). ), которые снижают трансляцию и стабильность мРНК. Эффективность трансляции и клеточное взаимодействие могут быть улучшены за счет использования улучшенной конструкции с 5 колпачками.

Более того, оптимизация нетранслируемой области (UTR), вычислительной платформы и использование хвоста длиной 100–150 нуклеотидов (A) могут улучшить трансляцию и стабильность мРНК. Идентификация новых последовательностей UTR с помощью глубокого обучения или высокопроизводительного скрининга может улучшить экспрессию мРНК, а рациональные комбинации 5′ и 3′ могут увеличить эффективность трансляции мРНК. Модификация нуклеозидов, очистка мРНК, химическая ферментативная модификация и 5-кепочная конструкция могут модулировать иммунную стимуляцию с помощью мРНК IVT.

Разработка мРНК-терапевтических средств и связанных с ними инноваций

Терапевтическая мРНК обычно синтезируется в лаборатории с использованием линейной ДНК в качестве матрицы и фермента РНК-полимеразы с последующей очисткой. Молекула мРНК состоит из 5′-НТО, кодирующей белок открытой рамки считывания (ОРС), 5′-кэпа, поли(А)-хвоста и 3′-НТО. Последовательности UTR бета-глобина человека используются для синтеза мРНК.

Использование модифицирующих нуклеозидов, таких как псевдоуридин (ψ), 5-метилцитидин, N6-метиладенозин, 5-метилуридин и 2-тиуридин, может снижать продукцию цитокинов за счет блокирования распознавания TLR и снижения активности фермента PKR38 и 2′-5′- олигоаденилатсинтетаза. Замена неполных нуклеозидов 2-тиоридином и 5-метилцитидином снижает активацию RIG-1. мРНК экспрессируется в клетках-мишенях для клинической трансляции и очищается с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии для удаления примесей двухцепочечной РНК и повышения экспрессии белка в клетках без иммуностимуляции.

В настоящее время мРНК со структурой cap-1 синтезируются путем блокирования ко-транскрипции с удовлетворительной эффективностью трансляции. Соединения для доставки мРНК защищают мРНК от деградации, преодолевают различные биологические барьеры и эффективно доставляют мРНК в цитоплазму для экспрессии белка. Используемые в настоящее время соединения включают LNP, липополимерные гибридные наночастицы и полимерные наночастицы.

Недавние инновации в области доставки мРНК включают платформу вирусоподобных частиц (VLP), ретровирусоподобный белок (PEG10) и платформу носителя липопротеина fusogenix. Инновации в области инженерии мРНК включают кольцевую РНК и самоамплифицирующуюся РНК. Самоциркулирующая РНК улучшает стабильность мРНК и обеспечивает долговременную трансляцию белка. Платформа PEG10-VLP (вирусоподобные частицы) включает белок PEG10 для упаковки мРНК и фузоген синцитин A (SYNA) для нацеливания на клетки для прямой внутрицитоплазматической доставки мРНК.

В целом, результаты обзора подчеркивают огромный потенциал технологии мРНК в области наномедицины. Ожидается, что воодушевленные успехом мРНК-вакцины против COVID-19, в клинической практике будет использоваться больше методов лечения на основе мРНК. Однако необходимо провести дополнительные исследования, чтобы улучшить понимание биологических путей, влияющих на доставку и трансляцию мРНК. в естественных условияхпринимая во внимание потенциальную иммуностимуляцию и токсичность агентов на основе мРНК.