mRNA是一类新兴的治疗性药物，可用于预防和治疗多种疾病。Moderna和辉瑞-BioNTech生产的两种高效mRNA疫苗在预防新冠肺炎方面大获成功，突显了mRNA技术在改变生命科学和医学研究方面的巨大潜力。
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mRNA在稳定性、免疫原性、体内递送和跨越多种生物屏障的能力等方面面临的挑战，近年来，已经在很大程度上通过mRNA工程和递送的进展得到了解决。
2022年11月10日，哈佛医学院陶伟、麻省理工学院Robert Langer、卡罗林斯卡学院曹义海等人在Nature Medicine发表了题为：The landscape of mRNA nanomedicine的综述论文。
这篇综述概述了mRNA纳米药物，讨论了基于mRNA的治疗面临的技术挑战，并将其与生物学机制和临床结果联系起来。该综述介绍了在不断发展的mRNA纳米医学领域的最新进展和创新，以及正在进行的临床转化和未来提高临床疗效的方向。
曹义海（左）、RobertLanger（中）、陶伟（右）
曹义海是瑞典卡罗林斯卡医学院终身教授，中国工程院外籍院士。世界公认的血管新生顶尖科学家，也是瑞典第一位晋升为医学终身教授的亚裔。
罗伯特·兰格（Robert Langer）是麻省理工学院（MIT）享有最高荣誉的教授之一，是全世界最顶尖和高产的生物医学工程和纳米科学家（之一）。
陶伟，哈佛大学医学院研究员，是哈佛大学医学院历史上首个以助理教授身份担任讲席教授的人。他的主要研究方向是功能性生物材料的设计和合成，揭示纳米生物相互作用机制，并探索其不同的生物医学应用，包括RNA治疗、癌症治疗、伤口愈合、心血管疾病、骨再生、糖尿病治疗等。
信使RNA（mRNA）是一种瞬时载体，它将生命的遗传信息从DNA转移到核糖体，在那里，遗传信息被翻译成蛋白质，进而执行生命功能。
通过递送表达传染病、癌症抗原、基因编辑组分或疾病相关治疗性蛋白质的mRNA，可以实现包括疫苗、基因编辑，以及蛋白质治疗等各种临床应用。
早在1976年，Robert Langer在Nature发表论文，首次证明核酸可以被聚合物组成的微小颗粒包装和递送，但这在一开始被科学界所嘲笑。两年后，开始有研究表明，可以通过脂质体递送mRNA，并在人类和细胞数细胞中表达蛋白质。从那时起，mRNA在各种临床前研究中显示了治疗效果，为mRNA作为药物和疫苗奠定了基础。
然而，将mRNA成功应用于药物的道路并不简单。起初，由于mRNA的不稳定性、以及其免疫原性和高昂的生产成本，极大地限制了企业和科学界投入资源的热情。令人鼓舞的是，随着mRNA工程技术的快速发展，包括化学修饰、序列优化和生产纯化，这些问题已经逐渐得到解决，这些进步得益于众多研究人员几十年来的努力。
mRNA疗法发展过程中的关键性进展
1、1961年，发现mRNA；
2、1976年，首次通过聚合物颗粒在体内递送核酸；
3、1995年，首次在小鼠中评估基于mRNA的癌症疫苗；
4、2005年，Kariko和Weissman等人首次报道了核苷修饰大大减少了mRNA引起的免疫反应；
5、2008-2012年，Kariko和Weissman等人进一步证实，核苷修饰可以增强mRNA的翻译能力和稳定性；
6、2017年，BioNTech公司进行了基于mRNA的个性化癌症疫苗的首次临床试验；
7、2020年，Moderna、辉瑞-BioNTech的mRNA新冠疫苗获得FDA紧急使用授权；
8、2021年，发现mRNA新冠疫苗中作为递送载体的脂质纳米颗粒（LNP）还具有疫苗佐剂活性。
这些进展为mRNA的治疗应用奠定了基础，但是临床转化需要在体内靶细胞或靶组织中表达。尽管在过去20年里，这些技术进步使许多mRNA药物的临床前和临床研究成为可能，但监管机构一直没有批准任何mRNA纳米药物（包括mRNA疫苗或mRNA疗法），直到两款mRNA新冠疫苗的出现。它们的成功开发激发了人们对mRNA工程和递送技术新的和强烈的研究兴趣，为各种基于mRNA的疗法的临床转化提供了前所未有的希望。
mRNA的临床应用面临的挑战
临床使用mRNA用于治疗，需要在相关细胞中进行足够的mRNA翻译，而不引起不必要的免疫反应。然而，要实现这一目标需要克服细胞外和细胞内mRNA合成和递送的几个障碍。使用质粒或PCR和RNA聚合酶生成的线性DNA模板，在无细胞系统中通过体外转录（IVT）合成治疗性mRNA。然后使用常规的实验室规模的核酸纯化方法纯化mRNA。但这些方法往往不能去除双链RNA、RNA片段等杂质，在临床应用中降低了疗效，还会引起不良反应。在局部或全身给药时，这些mRNA还会被细胞外空间丰富的核酸酶迅速降解，被巨噬细胞吞噬去除，或被肾脏滤过清除。
与此同时，mRNA是一个巨大的、带负电荷的单链多核苷酸，很难通过带负电荷的细胞膜。直接注射mRNA的话，只有0.01%的mRNA能够进入靶细胞，大部分mRNA被困在靶细胞的内体中并随后降解。最终只有少数mRNA从内体中逃脱，到达核糖体进行蛋白质翻译。
外源mRNA导致的免疫刺激是临床转化的另一个主要障碍。外源mRNA可被模式识别受体（PRRs）感知，在胞吞作用中，mRNA可以被Toll样受体（TLRs）监测到，从内体中逃脱的mRNA可以被胞质PRRs所感知。这些刺激最终导致I型干扰素（IFNs）和其他促炎细胞因子的产生。这些分泌的IFNs与受刺激细胞和邻近细胞上的受体结合，激活JAK-STAT通路，触发超过300个干扰素诱导基因的转录。其中，干扰素诱导蛋白激酶R（PKR）可抑制翻译起始因子2的活性，导致mRNA的翻译抑制，2"-5"-寡聚腺苷合成酶和RNA特异性腺苷脱氨酶可降低mRNA的稳定性。
mRNA临床应用面临的挑战
所有这些挑战都极大地限制了mRNA的临床应用，在充分发挥mRNA的治疗潜力之前，需要mRNA相关技术的进步来解决这些挑战。
mRNA及其递送工具的设计
mRNA工程和非病毒载体的mRNA递送领域的快速发展，为mRNA的临床应用提供了各种解决方案。例如，mRNA的翻译能力、稳定性和免疫刺激等问题可以通过引入创新的mRNA设计来解决。此外，mRNA递送载体可以解决递送方面的一些挑战。合理设计的mRNA递送载体，需要保护mRNA不被核酸酶降解，帮助跨越各种生物屏障，高效地将mRNA递送到细胞质中，从而实现蛋白质的稳健表达。
mRNA的设计
体外转录（IVT）mRNA在结构上与真核生物的天然成熟的mRNA相似，由五个主要结构域组成——5"端帽子、5"端非翻译区、编码目标蛋白的开放阅读框、3"端非翻译区、Poly(A)尾巴。
对非翻译区（UTR）的优化有利于mRNA的翻译和稳定性。来自高表达基因的UTR序列，例如人β-珠蛋白基因的UTR被广泛用于mRNA合成，因为含有这些UTR的mRNA通常具有高水平的翻译和稳定性。通过高通量筛选或深度学习来识别新的UTR序列，可以提高mRNA的表达，合理组合5" UTR和3" UTR可以使翻译效率最大化。此外，长度为100-150个核苷酸的Poly(A)尾巴可以提高mRNA的稳定性，并通过与Poly(A)结合蛋白形成复合物来有效地启动翻译。
消除体外转录（IVT）的mRNA的免疫刺激的最有效策略之一是核苷修饰，与未修饰的mRNA相比，掺入修饰核苷，例如假尿嘧啶（ψ）、5-甲基胞苷、N6-甲基腺苷、5-甲基尿嘧啶、2-硫代尿苷，可以阻止人类Toll样受体（TLRs）的识别来减少细胞因子的产生。
从机理上讲，掺入假尿嘧啶（ψ）的mRNA的翻译和稳定性提高，归因于蛋白激酶R（PKR）和2"-5"-寡聚腺苷酸合成酶的活性降低。用2-硫代尿苷和5-甲基胞苷同时取代部分核苷，在体外和体内都能显著抑制TLRs和RIG-1的激活。与ψ相比，N1-甲基假尿苷具有较低的细胞毒性和免疫刺激能力。值得注意的是，Moderna和辉瑞-BioNTech开发的mRNA疫苗都使用核苷修饰的mRNA来避免意外的免疫反应。
另一种减少生产的mRNA的免疫刺激的策略是加强mRNA纯化。经高效液相色谱纯化的体外转录（IVT）mRNA不含双链RNA（dsRNA）副产物，在原代细胞中蛋白表达比未纯化的mRNA高10-1000倍，且不诱导IFN或炎症细胞因子的产生。虽然高效液相色谱纯化被广泛用于mRNA的生产，但一种简单、快速、经济的纤维素基纯化方法为生产高纯体外转录（IVT）mRNA提供了另一种选择。
5"端帽子设计提供了另一种减少由mRNA引起的不必要免疫反应的方法。真核生物在转录后修饰形成的天然成熟mRNA在5"端存在帽子结构（Cap-0），即m7GPPPN结构。Cap-0在空间上抑制核酸酶对mRNA的降解，并通过与真核翻译起始因子结合启动翻译。与Cap-0相比，另外两种5"端帽子（Cap-1和Cap-2）由于其较低的免疫刺激潜力，在mRNA合成中被广泛使用。目前，具有Cap-1帽子结构的mRNA可以更方面地制造出来，且有最小的免疫刺激和令人满意的翻译效率。此外，利用计算实验平台可以同时增强mRNA的稳定性和翻译能力，翻译和免疫刺激还可以通过化学-酶修饰进行调节。
mRNA递送工具
基于mRNA的疫苗或疗法的快速临床转化得益于递送载体的发展，以保护和递送高度不稳定的mRNA分子。目前，主要的mRNA递送系统是脂质基纳米颗粒、聚合物基纳米颗粒、脂质-聚合物混合纳米颗粒。
脂质基纳米颗粒
脂质基纳米颗粒是目前研究最深入和临床最先进的mRNA递送载体，其中应用最广泛的是阳离子、可电离脂质纳米颗粒（LNP），通常由阳离子或可电离脂类、胆固醇、辅助脂质和聚乙二醇修饰的脂质。
脂质基纳米颗粒
阳离子脂类，如DOTMA或DOTAP，带有季铵基团，以pH无关的方式保持正电荷。这种阳离子环境允许带负电荷的mRNA有效凝结，使阳离子脂质基系统成为早期临床研究中最广泛使用的mRNA递送系统。但其潜在的细胞毒性和相对较短的血液循环时间阻碍了其临床转化。为了解决这些问题，采用了脂质聚乙二醇和各种新型可电离脂质。不像阳离子脂质具有永久正电荷，可电离脂质在生理pH条件下保持中性，但在酸性pH值下可质子化。可电离脂质在体液保持中性降低了毒性，并在一定程度上增加了可电离LNPs的循环半衰期。此外，可电离脂质在酸性pH下的质子化不仅方便了mRNA在酸性缓冲液中的缩聚和包封，还方便了mRNA从酸性内体中逃脱。脂质聚乙二醇的引入大大提高了可电离脂质基纳米颗粒的循环半衰期，减少了纳米颗粒的聚集，并减少了与血清蛋白的不利相互作用。
用于mRNA递送的可电离脂质基纳米颗粒的开发，在很大程度上受益于几十年来对用于siRNA递送的可电离脂质基纳米颗粒的研究。例如，美国FDA批准的第一款siRNA药物Patisiran使用的是DLin-MC3-DMA（简称MC3），通过优化这些配方参数，如RNA与总脂质的比例和水溶液与有机溶剂的比例，基于MC3的LNPs已被用于开发各种mRNA疗法，包括针对寨卡病毒、HIV和莱姆病的疫苗，以及囊性纤维化和淋巴水肿的治疗。
MC3的一个局限是其降解性差，当需要重复给药时，可能会导致毒性问题。为了应对这一挑战，并进一步提高MC3的功效，Moderna开发了一种生物可降解脂质，名为脂质5，比MC3有更多的分支尾。在动物模型中，基于脂质5的LNP递送的mRNA，在反复的全身和局部给药缓解了急性间歇性卟啉病，并实现了持久的抗癌免疫，而没有任何明显的毒性。
除了MC3，其他几个最初开发用于siRNA递送的可电离脂质，例如cKK-E12和C12-200，也被重新开发用于将mRNA递送到肝脏中，进行基因编辑和蛋白质替换。然而，由于这些LNPs在肝脏中的选择性积累，治疗性mRNA很难通过这些LNPs运送到肝外组织，这一现象可能是由这些脂质的电离特性决定的。
通过对新一代可电离脂质的深入研究，最终产生了脂质H/SM-102和脂质ALC-0315，前者用于Moderna公司的mRNA新冠疫苗，后者用于辉瑞-BioNTech公司的mRNA新冠疫苗，这也大大促进了新冠mRNA疫苗的开发。
这些疫苗的良好安全性可能归因于脂质的生物降解性。此外，Intellia公司利用另一种基于生物降解可电离脂质LP01的LNP，携带Cas9 mRNA和gRNA，在动物模型中实现了稳健和持久的体内基因编辑。与非生物降解可电离脂类相比，LP01具有较少的肝脏生物积累，安全风险较小。
可电离脂质无疑在LNPs的活性中起着关键作用，但其他成分也很重要。辅助脂质通过调节LNP的流动性，促进LNP从内体逃脱，从而提高LNP的疗效，而胆固醇在LNP的稳定性中起着重要作用。
脂质-聚合物复合纳米颗粒
脂质-聚合物混合纳米颗粒，它通常包括可电离脂质/阳离子脂质、疏水聚合物和聚乙二醇化脂质。这些纳米颗粒已被用于有效恢复肿瘤抑制因子PTEN，并在多个前列腺癌小鼠模型中抑制肿瘤生长。在这种载体中，疏水聚合物聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）取代LNP中的辅助脂质和胆固醇。
用氧化还原反应聚合物PDSA取代PLGA，形成了氧化还原反应平台，用于肿瘤抑制因子p53 mRNA的全身递送，在临床前模型中实现了有效的肿瘤抑制。添加聚乙二醇化脂质PEG-DMPE以提高疗效。此外，通过简单地改变覆盖聚合物核心表面的脂质聚乙二醇的末端或功能化，可以很容易地实现局部递送或器官特异性递送。例如，通过使用DSPE-PEG-NH2或DSPE-PEG-SH，可以生成黏附mRNA纳米颗粒，用于在膀胱内递送mRNA，以原位上调小鼠膀胱组织所需的蛋白质。还有其他脂质-聚合物混合纳米颗粒最近也被开发用于有效的mRNA递送，并在临床前模型中进行了测试。
脂质-聚合物复合纳米颗粒
聚合物纳米颗粒
聚合物纳米颗粒由阳离子聚合物简单组成，早期的研究集中在使用聚乙烯亚胺或聚L-赖氨酸进行核酸递送，但它们的显著毒性限制了应用。为了解决这一问题，合成了一系列可生物降解的聚β-氨基酯（PBAE）。例如，基于PBAE的纳米颗粒已被用于在体内向循环T细胞和多种组织递送功能性mRNA，此外，一种超支化PBAE（hPBAE）可通过吸入直接将mRNA递送到肺部。另一种有前景的mRNA递送的聚合物纳米颗粒是电荷可变的可释放转运体（CART），与传统的阳离子聚合物不同，CART可以通过一种独特的机制在细胞质中释放mRNA，寡聚α-氨基酯的初始正电荷可以有效地压缩和封装mRNA并将其递送到细胞中，通过此过程，CART进行降解性的、电荷中和性的分子内重排，导致功能mRNA的快速释放。这种特性导致了在体内将mRNA递送到淋巴细胞中，可以为多种疾病的治疗策略提供支持。
近期有前途的创新
mRNA新冠疫苗的成功开发推动了mRNA工程和递送方面的创新。这些新技术可能会产生更稳定、表达更稳健的下一代mRNA，这可能使mRNA应用于蛋白质治疗和基因编辑领域，这些应用通常需要比mRNA疫苗具有更高的表达水平和更持久表达时间。此外，mRNA递送的创新可以大大提高mRNA在各种应用中的体内递送效率。这些创新将进一步促进不同mRNA疗法的临床转化。
mRNA工程的创新
自扩增mRNA
自扩增mRNA包含一种基于阿尔法病毒的复制子，可以放大编码蛋白的表达，因此在大多数应用中只需比传统mRNA疫苗/疗法低得多的剂量。同时，额外增加的复制子基因也使得自扩增的mRNA比传统的mRNA更大，因此，需要对传统mRNA的配方进一步优化，以适应更大尺寸的自扩增mRNA。
虽然核苷修饰在目前已批准或正在研究的mRNA疫苗/疗法中被广泛使用，但自扩增mRNA不能包含这些修饰，因为它们会干扰自扩增过程。基于自扩增mRNA的新冠疫苗已经在动物中证明了诱导高中和抗体滴度的能力，目前正在临床试验中测试。与传统mRNA疫苗的30-100µg的注射剂量相比，自扩增mRNA可以用更低的剂量（1-10µg）。
传统mRNA疫苗与自扩增mRNA疫苗的比较
环状RNA
通过核苷修饰、编码区和非编码区优化可以显著提高mRNA的稳定性。除此之外，还可以通过将mRNA环形化来提高稳定性。
环状RNA（circRNA）是一种非编码RNA，在细胞和生物体中具有广泛的生物学功能，环状RNA是前体mRNA经过剪接形成的单链、闭合环形结构。最近的一些研究显示，环状RNA的蛋白质编码功能在蛋白质翻译方面具有很大前景。与线性mRNA相比，独特的闭合环状结构使环状RNA具有更高的稳定性，不易被核酸酶降解。
环状RNA的形成机制
2018年，麻省理工学院的Daniel Anderson教授在NatureCommunications期刊发表了一篇开创性论文，使用自剪接内含子构建的环状RNA在真核细胞中实现了稳健和稳定的蛋白表达，该研究开创了外源环状RNA在真核细胞中表达蛋白的新应用，也证明了环状RNA是线性mRNA的有效替代品。基于这项研究，他创立了首个环状RNA治疗公司——ORNA，引领了环状RNA疗法开发的新热潮。详情：世界首家环状RNA疗法公司Orna，面临的挑战与前景
除了更强的稳定性，环状RNA比未修饰的线性mRNA诱导的不良免疫反应要少得多，因为它们不激活体内的RNA传感器。
北京大学魏文胜教授团队在Cell发表的论文显示，基于环状RNA的新冠疫苗相比线性mRNA疫苗产生了更高水平的中和抗体，显示出对小鼠和恒河猴对新冠病毒及突变株具有很强的保护作用。详情：Cell：魏文胜团队开发环状RNA疫苗，对德尔塔和奥密克戎有效
最近，斯坦福大学张元豪教授团队在NatureBiotechnology期刊发表论文，通过对环状RNA结构的多处优化设计，成功将环状RNA翻译表达的蛋白质产量提高了数百倍，可在体内实现有效且持久的蛋白质生产。详情：张元豪团队将体内环状RNA蛋白产量提升数百倍
此外，还有公司正在探索环状RNA的其他变体，例如优化的核糖体进入位点（IRES）。
mRNA递送的创新
新型mRNA递送系统
脂质纳米颗粒（LNP）是目前最先进和广泛应用的mRNA递送系统，但许多其他非LNP系统也有很大的mRNA递送潜力。
2021年8月，张锋团队在Science发表论文，开发了一种全新的RNA递送平台——SEND（SelectiveEndogenous eNcapsidation for cellularDelivery），SEND的核心是逆转录病毒样蛋白PEG10，它能够与自身的mRNA结合并在其周围形成球型保护囊。详情：张锋一年前的Science论文，成功转化出一家新公司，融资2亿美元，开创mRNA递送新方式
研究团队使用SEND系统将CRISPR-Cas9基因编辑系统递送到小鼠和人类细胞并成功编辑了目标基因。这将为基因治疗提供一种全新的递送载体，SEND系统是利用人类内的组分自组装为病毒样颗粒，与其他递送载体相比，所引起的免疫反应更少，更具安全性。
PEG10纳米颗粒
张锋表示，SEND技术可以补充现有的病毒递送载体和脂质纳米颗粒（LNP），以扩展向细胞递送基因和编辑疗法的工具箱。
mRNA从内体的逃逸是mRNA递送面临的主要挑战，使用可电离脂质可以改善这一点，而另一种策略是直接将mRNA递送到细胞质。Entos制药公司使用低毒中性脂类和具有专利的融合相关小跨膜蛋白开发了一种Fusogenix蛋白-脂质载体平台。独特的融合相关的小跨膜蛋白可以促进蛋白-脂质载体和细胞膜的快速融合，使其装载的货物（例如mRNA）直接递送到细胞质中。
Fusogenix蛋白-脂质载体
类似地，由相分离肽形成的pH-和氧化还原反应的凝聚体也能实现mRNA的直接胞质递送和氧化还原激活的释放，绕过了经典的内吞途径。
除了这些新平台，创新还将继续生产更强大的具有多种功能的LNP，包括增强递送能力。通过组合文库鉴定的含有杂环脂的LNPs不仅能有效地将抗原mRNA递送到小鼠肿瘤，还能通过刺激干扰素基因途径促进抗原递呈细胞成熟，协同提高抗肿瘤疗效。通过引入不饱和脂类或炔脂类可以提高LNPs的疗效，而用硫醇基团或二磷酸基团修饰LNPs则可以将mRNA定向输送到粘液或骨骼。此外，一种单组分可电离的两亲性Janus树状分子能够有效地将mRNA递送到不同器官，为简化目前的四组分LNPs系统带来了希望。
基于生物膜的mRNA递送载体
生物膜载体是mRNA递送的另一种新型生物兼容平台。不同类型的基于生物膜的系统，包括细胞膜囊泡、细菌来源的外膜囊泡和细胞外囊泡（例如外泌体），已被用于治疗性mRNA的体外和体内递送。
外泌体（Exosome）作为一种纳米级的细胞外囊泡，已被广泛研究为药物递送载体。例如，Codiak BioSciences已经启动了一种工程外泌体疗法的人体试验——exoSTING，用于实体瘤治疗。还有临床前研究显示，以外泌体为基础的mRNA疫苗诱导小鼠产生强大的IgG和IgA，这比以脂质体为基础的疫苗诱导的反应更强。生物相容性的外泌体可能是mRNA递送的一个有前途的平台。目前在蛋白质替代疗法中使用mRNA-LNP的一个主要挑战是短期内重复给药可能导致的潜在毒性。而生物囊泡的免疫原性和毒性低于大多数现有的平台，这使得它们在临床试验中特别适用于mRNA的重复给药。
器官或细胞特异性的mRNA递送
静脉注射后，大多数纳米颗粒会优先积聚在肝脏中，因此，如果能将mRNA靶向递送到肝外组织，将大大拓宽mRNA技术的应用。
2020年4月，德州西南医学中心Daniel Siegwart教授、程强（现为北京大学未来技术学院研究员）、魏妥（现为中科院动物所研究员）等在Nature Nanobitechnology期刊发表论文【4】，开发了一种新型选择性器官靶向纳米颗粒平台——SORT。
SORT递送系统通过在广泛使用的四组分LNP系统添加阳离子脂质、阴离子脂质或可电离脂质的第五种组分（SORT），可使mRNA选择性递送到小鼠的肺、脾或肝脏，并验证了递送CRISPR-Cas9基因编辑mRNA组分的基因编辑效果。此后，他们还在 PNAS 发表论文，揭示了这一系统的递送机制：不同组织/细胞的特定蛋白质与纳米颗粒表面的结合，使得纳米颗粒可以在不同组织中选择性积累。详情：PNAS：破解器官选择性mRNA递送系统的机制
SORT系统
需要指出的是，虽然开发和优化新的纳米颗粒载体配方对于通过静脉注射mRNA的器官特异性递送很有意义，但在某些情况下，改变给药途径可能是一个更实际的解决方案。例如，可以通过膀胱内给药将mRNA-纳米颗粒特异性靶向膀胱；通过机器人胶囊将mRNA通过口服给药特异性靶向胃肠道部位，以及将mRNA-纳米颗粒通过吸入给药特异性靶向肺部。
除了选择性靶向器官外，选择性地将mRNA递送到特定的细胞类型可以实现更精确和有效的治疗。细胞类型特异性mRNA递送的一种策略是开发针对特定靶细胞类型优化的LNPs或聚合物纳米颗粒。例如通过优化的LNP将mRNA递送到T细胞，用于癌症免疫治疗。另一种策略是使用细胞特异性配体，例如将抗Ly6c靶向配体偶联到LNP上，将治疗性mRNA特异性靶向递送到炎症性肠病小鼠的Ly6c阳性炎症白细胞。分别将抗原或CD4抗体偶联到LNP上，将mRNA特异性靶向递送到抗原特异性CD8+T细胞或CD4+T细胞。
随着更多的研究，这些器官或细胞特异性的mRNA递送平台将扩大可通过mRNA疗法预防或治疗的疾病类型。
可吸入、鼻内或口服的mRNA递送
可吸入式递送允许mRNA药物在肺部快速和选择性积累，为治疗自COVID-19大流行开始以来的肺部相关疾病提供了巨大的希望。超支化PBAE（hPBAE）可通过吸入直接将mRNA递送到肺部。hPBAE平台还实现了Cas13a mRNA高效递送到小鼠和仓鼠的肺部，能够促进流感病毒RNA的降解、减少SARS-CoV-2的复制和感染症状。
鼻内给药是另一种无创给药方式，可以引起对呼吸道病原体的粘膜免疫，是一种很有前途的新冠疫苗给药方法。小鼠研究显示，鼻内给药的mRNA疫苗诱导的免疫应答低于肌肉注射，这可能是因为LNP并非为鼻内给药而设计，针对呼吸道细胞优化LNP制剂有望缓解这一问题。
肌肉注射是目前批准的新冠疫苗的主要给药途径，但这需要医务人员来注射，可能不利于疫苗的推广。口服给药由于其无创性、对患者友好、可快速推广的特点，为新冠疫苗接种提供了一种有前途和有吸引力的替代方案。令人鼓舞的是，一种口服给药的腺病毒5型新冠疫苗在仓鼠中成功降低了病毒传播和疾病严重程度，并开始了一期临床试验。尽管对于脆弱的mRNA来说，口服给药是一种更具挑战性的途径，但在猪上的研究证实了使用可消化的机器人胶囊递送mRNA的可行性和有效性，为口服mRNA疫苗的发展提供了很大的希望。详情：告别针头注射：口服胶囊mRNA疫苗要来了，灵感来自乌龟
最近，BioNTech和Matinas BioPharma宣布进行独家研究合作，利用新型脂质纳米晶体平台开发口服mRNA疫苗。这种脂质纳米晶体是一种含有多层的稳定晶状纳米颗粒，通过钙和阴离子磷脂相互作用形成，在此过程中，mRNA等活性药物分子可以装载在层中。
mRNA纳米药物的转化和临床研究
蛋白质的异常表达是许多疾病的特征。随着mRNA技术的快速发展，通过向细胞内递送编码目标蛋白的mRNA（上调表达）或编码基因编辑组分的mRNA（下调表达），可以很容易地精确调控特定蛋白质的表达水平。这使得mRNA纳米医学成为治疗各种疾病的一种有前途的多功能工具。
目前，一系列的mRNA纳米药物，包括疫苗和蛋白质疗法或基因编辑疗法，正在密集进行临床试验。
疫苗
已完成和正在进行的mRNA疫苗临床试验
两款有效的mRNA新冠疫苗以前所未有的速度研发成功并获得广泛使用，让我们看到了mRNA技术的巨大潜力。但实际上，mRNA新冠疫苗并不是第一个进入临床的mRNA纳米药物，许多公司在新冠疫情开始前就开展了其他mRNA纳米药物的临床试验，但进展缓慢。mRNA新冠疫苗的成功强烈激发了投资者和研究人员对mRNA纳米药物的热情，从而大大加速了创新和临床开发。
CureVac开发的第一种未修饰mRNA新冠疫苗（CVnCoV）在2/3期临床试验中显示了48%的保护效果，这一结果不尽如人意，但他们的第二代mRNA疫苗CV2CoV在临床前研究中显示了改善的效果，目前正处于1期临床阶段。
Arcturus开发了一种自复制mRNA新冠疫苗，单剂量2µg保护小鼠免受新冠病毒感染，三期临床试验显示，该疫苗对预防重症新冠的有效性为95%，对预防有症状新冠有效性为55%，需要指出的是，这项临床试验中的病毒主要是Delta和Omicron突变株。详情：首个自复制mRNA新冠疫苗3期临床结果公布，保护率55%，重症保护率95%
除了新冠疫苗外，许多针对其他传染病的mRNA疫苗的研发近年来也取得了不错的进展。例如，Moderna的mRNA-1647疫苗（巨细胞病毒疫苗）和mRNA-1345疫苗（呼吸道合胞病毒疫苗）正在进行三期临床试验。最近，Moderna的mRNA-1010（季节性流感四价疫苗）进入三期临床试验，使其成为Moderna的第四个达到三期的mRNA疫苗。
除了传染病，癌症是mRNA疫苗在临床试验中正在密集研究的方向，Moderna和默沙东联合开发的针对晚期黑色素瘤的mRNA-4157疫苗正在进行二期临床试验。BioNTech也推出了针对黑色素瘤的BNT111疫苗，在1期临床试验中，该mRNA疫苗在检查点抑制剂治疗的黑色素瘤患者中诱导了持久的客观缓解。
蛋白质疗法和基因编辑
已完成和正在进行的用于蛋白质替代和基因编辑的mRNA纳米药物临床试验
基于mRNA的蛋白质替代疗法和基因编辑疗法已经有多个临床应用。CAR-T细胞疗法在血液类肿瘤中表现出了巨大的疗效，但将其应用于实体肿瘤却具有挑战性，部分原因是实体瘤缺乏可用的靶点。此外，标准的CAR-T细胞疗法需要在体外改造来自癌症患者的T细胞，这既昂贵又耗时。
为了解决这些挑战，BioNTech确定了几种实体肿瘤新抗原，并开发了针对实体肿瘤的CAR-T细胞疗法（BNT211），在这种疗法中，编码CAR-T目标抗原的mRNA脂质体被注射到患者体内，并在体内产生有功能的CAR-T细胞。详情：BioNTech公司CAR-T+mRNA疫苗治疗实体瘤，获欧洲药监局优先药物资格
除了肿瘤外，基于mRNA的CAR-T细胞疗法也显示出治疗心脏损伤的潜力，通过使用修饰的mRNA在小鼠体内原位产生抗纤维化的CAR-T细胞。详情：注射mRNA，在体内生成CAR-T，新锐公司融资1.65亿美元，将体内CAR-T推向临床
基因编辑是mRNA纳米药物的另一个重要应用，可以通过mRNA下调特定蛋白质的表达水平。在灵长类动物中，Verve公司开发的单剂LNP递送的编码腺嘌呤碱基编辑器（ABE）的mRNA治疗，几乎完全抑制了肝脏中的PCSK9，同时血液中PCSK9和低密度脂蛋白胆固醇水平分别降低了89%和61%，令人惊讶的是，这种治疗的效果持续了8个多月。详情：首个体内碱基编辑疗法获批临床，一针注射，永久预防心脏病
Intellia开发了一种生物可降解的LP01可电离脂质基递送系统，用于Cas9 mRNA和sgRNA的递送，在单剂量治疗后实现了血清转甲状腺素超过97%的抑制效率。这些数据促成了其基于LNP的基因编辑疗法（NTLA-2001）的人体临床试验，在0.3mg/kg剂量的单次治疗后，患者血清转甲状腺素蛋白水平降低了87%。详情：一次注射，长期有效，诺奖团队开发的LNP递送的体内CRISPR疗法最新临床数据给力
这些令人鼓舞的数据将强烈推动更多基于mRNA的基因编辑疗法的临床转化。
当前mRNA纳米药物面临的挑战
尽管新冠疫苗取得了成功，但研发中的mRNA纳米药物仍面临一些挑战。需要进一步的创新和进步来克服这些挑战，并加快更多mRNA纳米药物的临床转化。
安全性
MC3是一种有效的可电离脂质，正在进行一些临床试验。然而，一些临床前研究表明，基于MC3的LNP具有免疫刺激作用，在小鼠中诱导促炎细胞因子的表达高于其他LNP。此外，以MC3为基础的人促红细胞生成素（hEPO）的mRNA-LNP静脉注射给大鼠和猴子产生了轻微的毒理效应（剂量为0.3mg/kg），当剂量降至0.03mg/kg时，毒理效应得到了改善。mRNA-LNP疫苗或疗法的脱靶效应可导致mRNA在其他不希望的细胞或器官中发生翻译，从而导致潜在副作用。持续优化器官或细胞特异性mRNA递送系统将有助于解决这一问题。
有零星报道显示，来自新冠病毒的RNA或新冠疫苗的mRNA可能通过LINE-1介导的逆转录机制整合到宿主细胞基因组中，但这些研究遭到了其他人的质疑，还需要更细致的研究来验证这一结论。如果未来更多的研究证明外源的mRNA序列可以整合到宿主细胞的基因组中，我们就需要对现有的mRNA进行特定的设计，以抑制其逆转录。
临床试验显示，两种已获批的mRNA新冠疫苗具有良好的安全性，大多数局部和全身不良事件为轻至中度。但与大多数其他类型的疫苗一样，已观察到罕见的过敏反应，这些过敏反应的一个可能的原因是LNP组分中的聚乙二醇化脂质，因为超过40%的人体内预先存在针对聚乙二醇化脂质的抗体。值得注意的是，目前mRNA新冠疫苗中使用的聚乙二醇化脂质的剂量远低于其他会导致罕见过敏反应的使用聚乙二醇化脂质的临床制剂或疗法。还有研究显示，一名具有聚乙二醇化脂质抗体的人在接受mRNA新冠疫苗接种后并未出现过敏。因此，可能存在着其他潜在因素与这些罕见不良事件有关。
现在重要的是要认识到究竟哪些mRNA疫苗组分导致了这些不良事件，特别是在治疗蛋白质缺乏和慢性疾病的背景下，需要高剂量给药或重复给药，这可能会进一步增加这些不良事件的风险。更好地理解这些机制可以指导我们优化配方，减少或取代不利成分，从而降低不良事件的风险。
佐剂活性
根据实际应用的不同，佐剂活性可以是一种优势，也可以是一种劣势。随着翻译效率和稳定性的提高，不引起免疫反应的外源mRNA正在被广泛应用于临床试验。mRNA-LNP配方中的mRNA本身通常不会作为佐剂，而LNP已知具有佐剂活性。肌肉注射LNP和10µg重组血凝素免疫原的小鼠，比单独注射免疫原的小鼠产生了更高的抗原特异性滤泡辅助性T细胞和生发中心B细胞数量，这显示了LNP的佐剂活性。mRNA新冠疫苗中的LNP可以作为一种佐剂，诱导强大的滤泡辅助性T细胞和体液反应。值得注意的是，LNP显示出比一种广泛使用的佐剂AddaVax更强的佐剂活性。虽然两种基于LNP的mRNA新冠疫苗都不含任何佐剂成分，但这些疫苗引起的对新冠病毒强烈的细胞和体液免疫应答可能部分归功于LNP成分本身的佐剂活性。LNP除了作为传染病疫苗的佐剂外，还通过激活TLR4信号，增强了mRNA癌症疫苗的抗肿瘤效果。
虽然越来越多的研究证实了LNP的佐剂活性，但如何操纵这种佐剂活性仍是一个挑战。需要研究LNP佐剂活性的作用机制和脂质成分的构效关系。
未来方向
mRNA纳米药物已经显示出在预防新冠和降低住院和死亡风险方面的强大能力。在这一成功的鼓舞下，越来越多的基于mRNA的疫苗和疗法有望实现临床转化。然而，在mRNA纳米药物的潜力被充分实现之前，必须达到几个关键的目标。
越来越多的证据表明，特定的生物学通路可能会干扰mRNA的递送或翻译。因此，了解这些生物学通路在体内如何影响mRNA的递送和翻译，可以进一步提高mRNA药物的疗效，同时也应仔细考虑mRNA及其载体可能引起的毒性和免疫反应。最终，mRNA纳米药物的快速和有效实施在很大程度上取决于其稳定性和后勤需求，这将影响现实世界的实施和推广。
因此，提高mRNA纳米药物稳定性的创新将是至关重要的。2022年1月，艾博生物开发的更具稳定性（可在2-8℃下长期稳定）的mRNA发布1期临床试验结果，详情：首个国产mRNA疫苗1期临床试验结果公布。Moderna开发的下一代新冠疫苗mRNA-1283也可以在2-5°C下保持稳定。
新的工程化进展将促进mRNA纳米药物在现实世界的无数方面的应用。例如，新型PLGA微粒可能是一个很有前途的mRNA递送平台，可编程药物释放，甚至可以实现疫苗在体内的自我增强。详情：Robert Langer团队开发新型疫苗递送平台，一次注射、分批释放，实现体内自我增强。此外，作为季节性流感和新冠疫苗载体的微针贴片已被证明具有安全性和免疫原性，可能成为一种方便和微创的mRNA递送平台。
mRNA新冠疫苗获得的前所未有的成功展示了mRNA纳米药物的巨大潜力，我们预计不断的创新将带来新的、高效的基于mRNA的治疗方法，包括针对其他非新冠类传染性疾病的疫苗、癌症免疫疗法、蛋白替代疗法、基因编辑疗法，以及许多其他类型或疾病的治疗方法。
