В недавнем обзоре, опубликованном в журнале Nature Medicine, исследователи представили проблемы, связанные с клиническим применением технологии рибонуклеиновой кислоты-мессенджера (мРНК), последние инновации и будущие направления для повышения клинической эффективности наномедицины на основе мРНК.
Терапевтическая эффективность модифицированных нуклеозидами мРНК вакцин Pfizer-BioNTech и Moderna против COVID-19 стимулировала развитие мРНК-наномедицины для расширения терапевтического ландшафта ряда заболеваний, таких как COVID-19 и рак. Научный прогресс в разработке и доставке мРНК в значительной степени решил проблемы, связанные с использованием мРНК в клинических условиях. В настоящем обзоре исследователи представили основные достижения в области наномедицины мРНК и связанные с ними проблемы, которые необходимо решить для раскрытия истинного терапевтического потенциала технологии мРНК.
Мессенджерная РНК переносит генетическую информацию от ДНК к рибосомам, где эта информация далее транслируется в белки. Доставка мРНК, экспрессирующей антигены раковых или инфекционных заболеваний, компоненты генного редактирования или терапевтические белки, ассоциированные с заболеваниями, позволяет реализовать такие клинические приложения, как вакцины, генное редактирование и белковая терапия. Впервые мРНК была открыта в 1961 году и доставлена in vivo с помощью полимерных частиц в 1976 году; через два года была осуществлена доставка мРНК в клетки мышей и человека с помощью липосом.
В 1995 году вакцина против рака на основе мРНК была впервые испытана на мышах. По прошествии десяти лет исследования сообщили, что модификации нуклеозидов снижают сигнализацию толл-подобных рецепторов (TLR) в ответ на активность мРНК. В период с 2008 по 2012 год исследования показали, что модификации нуклеозидов могут подавлять активацию 2′-5′-олигоаденилат синтетазы и протеинкиназы R38 (PKR38), предотвращать расщепление, вызванное рибонуклеазой (RNase) L51, и повышать стабильность и трансляцию мРНК.
В 2017 году были проведены клинические испытания противораковых вакцин на основе мРНК. Три года спустя вакцины против SARS-CoV-2 BNT162b2 и мРНК-1273 были одобрены правительством США для экстренного применения. В 2021 году в исследованиях сообщалось, что липидные наночастицы (LNPs) могут быть использованы в качестве адъювантов в мРНК-вакцинах против SARS-CoV-2.
Основными препятствиями для клинического применения мРНК являются нестабильность, эффективность трансляции и иммуностимулирующий потенциал экзогенной мРНК. Существующие методы синтеза мРНК не позволяют удалить такие примеси, как двухцепочечная РНК и фрагменты РНК, которые снижают терапевтическую эффективность и вызывают нежелательные биологические реакции при клиническом использовании. Кроме 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 нуклеазами, удаление при фагоцитозе макрофагами и клиренс при почечной фильтрации. Большинство интернализованных мРНК задерживаются в эндосомах и могут быть обнаружены эндосомальными РНК-сенсорами (TLR3, TLR7 и TLR8) и цитозольными РНК-сенсорами (такими как ген-I, индуцируемый ретиноевой кислотой (RIG-I) и ассоциированный с дифференцировкой меланомы белок 5 (MDA5), которые снижают трансляцию и стабильность мРНК. Связывание цитозольной мРНК и эффективность трансляции могут быть улучшены с помощью оптимизированного дизайна 5′ кэпа.
Оптимизация нетранслируемой области (UTR) и использование поли(А) фрагмента длиной 100-150 нуклеотидов могут улучшить трансляцию и стабильность мРНК. Идентификация новых последовательностей UTR с помощью глубинного машинного обучения или высокопроизводительного скрининга может улучшить экспрессию мРНК, а рациональные комбинации 5′ и 3′ могут максимизировать эффективность трансляции мРНК. Модификация нуклеозидов, очистка мРНК, химико-ферментная модификация и дизайн кэпа 5′ могут модулировать иммуностимуляцию мРНК.
Терапевтическая мессенджерная рибонуклеиновая кислота обычно синтезируется in vitro с использованием линейной ДНК в качестве шаблона и фермента РНК-полимеразы и впоследствии очищается. Молекула мРНК состоит из 5′ UTR, кодирующей белок открытой рамки считывания (ORF), 5′ кэпа, поли(А) фрагмента и 3′ UTR. Для синтеза мРНК используются последовательности UTR из β-глобина человека. Использование модифицированных нуклеозидов, таких как псевдоуридин (ψ), 5-метилцитидин, N6 -метиладенозин, 5-метилуридин и 2-тиоуридин, может снизить выработку цитокинов за счет предотвращения распознавания TLRs и снижения активности PKR38 и 2′-5′-олигоаденилат синтетазы. Замена части нуклеозидов на 2-тиоуридин и 5-метилцитидин снижает активацию RIG-1. Для клинической трансляции мРНК экспрессируется в клетках-мишенях и очищается с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии для удаления контаминантов двухцепочечной РНК и повышения экспрессии белка в клетках без иммуностимуляции.
В настоящее время мРНК производятся со структурой cap-1 путем ко-транскрипционного кэпирования, при этом эффективность трансляции остается удовлетворительной. Транспортные средства для доставки мРНК защищают мРНК от деградации, преодолевают различные биологические барьеры и эффективно доставляют мРНК в цитоплазму для экспрессии белка. В настоящее время используются такие носители, как LNPs, липидно-полимерные гибридные наночастицы и полимерные наночастицы.
Последние инновации в области доставки мРНК включают платформу PEG10-вирусоподобной частицы (VLP) и платформу протео-липидного транспортного средства fusogenix. Инновации в области инженерии мРНК включают циркулирующую РНК и самоамплифицирующуюся РНК. Самоциркуляция РНК повышает стабильность мРНК и обеспечивает длительную трансляцию белка. Платформа PEG10- VLP включает белок PEG10 для упаковки мРНК и фузоген синцитин А (SYNA) для нацеливания на клетки для прямой внутрицитоплазматической доставки мРНК.
В целом, результаты обзора подчеркнули огромный потенциал технологии мРНК в области наномедицины. Успех мРНК-вакцины COVID-19 воодушевил, и ожидается, что все больше методов лечения на основе мРНК будут использоваться в клинической практике. Однако необходимо провести дальнейшие исследования для улучшения понимания биологических путей, влияющих на доставку и трансляцию мРНК in vivo, с учетом иммуностимуляции и потенциальной токсичности агентов на основе мРНК.
