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Nature两篇连发,创新型mRNA递送技术将引领基因治疗领域新一轮风潮

作者:动脉网 2021-01-12 21:39

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经过多年来的技术积累,基因治疗产业已经逐步走向成熟,引领着生物医药的第三次产业革命。但在这一领域中,递送策略一直是困扰行业发展的重要瓶颈之一。2020年,因在CRISPR领域的卓越贡献而获得诺贝尔奖的Jennifer Doudna也曾感叹“递送可能仍然是体细胞基因编辑的最大瓶颈”

 

近日,Nature Biomedical Engineering和Nature Biotechnology接连发文,均指向一种介于病毒载体与非病毒载体之间的类病毒体(virus-like particle, VLP)递送技术,在这两篇研究报道中,都是递送的CRISPR/Cas9 mRNA,分别在湿性年龄相关黄斑变性和疱疹性基质性角膜炎小鼠模型中展现了治疗潜力。

 

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VLP-mRNA递送技术是由上海交通大学系统生物医学研究院蔡宇伽教授团队和复旦大学附属眼耳鼻喉科医院洪佳旭主任团队合作开发的全球首创的基因治疗递送载体技术。此前,该团队还基于这项核心VLP-mRNA递送技术开发了针对此次新冠病毒的mRNA疫苗,并发表了当时首个mRNA新冠候选疫苗的动物数据。

 

VLP-mRNA具有解决体细胞基因治疗(包括基因编辑等)的递送技术瓶颈的强大潜力,由蔡宇伽教授作为联合创始人的本导基因基于这项技术目前已经创建了BDmRNA技术平台,并针对各类适应症建立了广泛的研发管线,包括基于VLP-mRNA的基因治疗策略和疫苗等,旨在推进这一技术的临床转化。去年6月,这家成立于2018年的新锐公司已经完成了千万级pre-A轮融资。

 

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BDmRNA技术平台研发管线

 

mRNA技术:新冠疫情下冉冉升起的新型策略


整个基因治疗产业经过多年的发展至今,已经与最初的定义有所不同,逐步形成了多个细分领域(例如,根据基因修饰层面不同可以分为基于DNA的基因治疗和基于RNA的基因治疗),并且涌现了多层次的代表产品。

 

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其中,基于mRNA开发新的预防和治疗方法在过去几年中越来越受到人们的关注,其极具吸引力的两个应用方向中,一个是用作癌症和病毒感染疾病的mRNA疫苗,另一个是针对不可靶向基因病的治疗;根据以上发表的两项研究,其在

基因编辑基因治疗领域也将大有作为;具体应用领域主要包括传染病疫苗、肿瘤免疫疗法(癌症疫苗)、治疗性蛋白质替代疗法和遗传疾病治疗。

 

针对此次的新冠病毒,基于mRNA技术更是极具先发优势的开发出了疫苗候选产品,说其是目前生物药创新技术中最受关注的一个细分领域我想也不为过。

 

新冠或许造就了mRNA技术更广泛的为人所知的契机,但事实上这一领域的前景,在更早的时候就已被资本所青睐,自2015年以来,三家具有代表性的mRNA治疗公司——Moderna Therapeutics、BioNtech和CureVac——总共吸引了28亿美元的私人投资,并屡次传下生物技术行业的融资神话,目前,这三家公司都已经在纳斯达克上市。

 

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▲私人RNA治疗公司的融资(a)上市RNA治疗公司的市值(b)

图片来源:(Nature Reviews Drug Discovery)

 

理论上,mRNA具有合成“任意一种蛋白”的潜力,利用它可以将细胞中的蛋白质制造引擎转变为“药物工厂”,对治疗各种疾病具有很大的希望。

 

对于mRNA疫苗和某些mRNA药物,给药相对简单。手臂刺伤后,肌肉细胞吸收mRNA并产生病毒蛋白。免疫系统将蛋白质视为外来物质,并产生抗体和T细胞,使机体抵抗未来的入侵,在包括SARS-CoV-2在内的各类病毒传染性疾病中都相关候选产品正在进行临床开发。

 

另外,基于mRNA的疫苗策略尤其在肿瘤免疫领域中独具前景,这也是目前mRNA疗法的一个主要探索方向。通过肌肉、皮下或肿瘤的局部注射提供的这些基于mRNA的疗法,编码肿瘤蛋白或免疫信号分子,帮助增强人体免疫系统对癌细胞的攻击。值得一提的是,相比全球疫苗市场,全球癌症疫苗市场规模似乎增长更快,2019年为46亿美元,预计到2024年将达到101亿美元,复合年增长率为17.28%。

 

相对而言,那些替代有益蛋白质治疗慢性病的mRNA药物比疫苗则更难进入临床。这些药物面临着将mRNA靶向特定组织并提供强大而持久的益处而又没有过度副作用的挑战。因此一直以来,这类疗法的开发相对较少。

 

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无论如何,新兴的mRNA疗法领域至今的成果是令人兴奋的,大量积累的相关临床前数据以及已经开始的一些早期临床数据都共同推动了其此次在新冠疫情大环境中取得至关重要的胜利,随着技术的进一步发展和成熟,基于mRNA的各类治疗策略将逐步实现治疗和预防人类疾病的设想。

 

递送仍是主要挑战


目前在基因治疗领域,递送系统的挑战已经是一个老生常谈的问题,这类药物最终在临床发挥药效的绝大部分取决于一个高效的递送系统,mRNA疗法也是如此。

 

虽然裸mRNA的有效性在包括肌肉注射、皮下注射或皮内注射中已经得到证实,并且可以避免其他与系统性施用mRNA相关的障碍(例如,通过肝脏、肾脏和脾脏从血流中清除);但是,表皮最外层的角质层对局部给药的吸收形成了严密的屏障,mRNA在不存在递送系统的情况下,在细胞膜上的渗透非常低。

 

尽管微穿孔、微针、电穿孔、超生渗透等策略都被开发用于克服该障碍,但是mRNA的半衰期约为7小时,极易被降解。其固有的不稳定性以及对酶促降解的高度敏感性,加之mRNA的超大尺寸和高负电荷等相关多种障碍,使得其递送策略的开发壁垒进一步拔高,严重阻碍了这一策略的临床转化。

 

因此,进一步改进mRNA的递送系统一直是该领域的重要瓶颈,目前,科学界在主要的病毒载体非病毒载体两个大方向上都有诸多尝试,而介于病毒载体与非病毒载体之间的类病毒体(VLP)递送策略无疑对目前的递送现状增添了更为新鲜的血液。

 

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病毒载体中,慢病毒载体可以高效感染几乎所有细胞,AAV载体的递送效率也非常高,目前已经被应用于临床上的体内外基因治疗,是一个相对成熟的递送技术。但是病毒载体具有与基因组整合相关的关键缺陷,以及可能的宿主排斥(免疫原性和细胞毒性)。此外, AAV用来递送CRISPR等基因编辑工具时可能会面临编辑工具长时间甚至终身表达的安全性问题,同时还可能造成潜在的脱靶以及免疫反应。因此,在mRNA递送领域,对非病毒载体的需求也被激发。

 

基于脂类或类脂化合(lipidoids)的载体代表了目前最常用的非病毒载体。各种合成的和天然衍生的脂质已经被用来形成脂质体或脂质纳米颗粒(LNPs),两者都被报道可以有效地递送基于mRNA的疫苗,其中LNP是目前核酸药物领域应用较广泛的一种递送类型,由于其比较容易被抗原呈递细胞吸收,因此最常被用于疫苗,目前三大mRNA疫苗巨头企业,Moderna、CureVac和BioNTech均采用了LNP递送技术。但是,LNP在体内基因治疗应用方面,其递送效率不高。

 

尽管这些递送载体已经广泛应用于基因治疗和mRNA疫苗的基础研究和临床研究,但在CRISPR等基因编辑技术这一特定细分领域,其临床应用有着安全性和有效性的双重标准,病毒载体的安全性问题和LNP等非病毒载体的效率上的挑战使得递送系统的需要进一步开发和探索。

 

VLP递送系统利用mRNA茎环结构与噬菌体衣壳蛋白特异识别的原理,通过病毒工程技术,将病毒和mRNA两者的优点完美的结合起来,创造了新型递送技术VLP-mRNA,其一方面借助了病毒的外壳,使得其感染细胞的效率特别高,另一方面,则基于mRNA的自身瞬时性的特点,能让基因编辑治疗更加安全可控,其在递送CRISPR/Cas9的研究中表明,与长时间表达Cas9的病毒系统相比,通过VLP-mRNA递送Cas9 mRNA, Cas9的存在时间只有72小时,同时,其可以显著降低、甚至完全避免脱靶效应。

 

此外,在基因载荷方面,AAV 载体只能递送4.7个kb大小的基因,而经典的 CRISPR/Cas9编辑系统则较大,通常无法通过一个病毒载体来递送整套的CRISPR/Cas9系统,而需要两个病毒载体分开提递送。VLP-mRNA则可以递送整个CRISPR元件(Cas9与gRNA),克服了AAV载体运载能力小的限制。同时,随着基因编辑技术的进一步发展,更大的碱基编辑工具也已逐步挺进基因编辑研发领域,VLP-mRNA则有望成为其有利的递送工具。

 

结语


一类新型策略的出现并不是对以前传统方法的否决,更多的是互相填补在整个潜在应用领域的空白。相信随着越来越多的技术瓶颈被突破,mRNA疫苗和基于mRNA的其他治疗策略,以及整个基因治疗领域的潜力都将被进一步释放,最终造福广大患者。

 

参考出处:

1.Nature Reviews Drug Discovery

2.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7076378/#B81-pharmaceutics-12-00102

3.https://www.sciencemag.org/news/2020/12/messenger-rna-gave-us-covid-19-vaccine-will-it-treat-diseases-too

4.Nature Biomedical Engineering

5.Nature Biotechnology

6.WHO官网


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