IVT mRNA在再生医学中的应用

尽管人们早在1961年就发现了信使RNA（mRNA），但直到30年后，它们的治疗潜力才开始显现。1990年，威斯康辛大学的一个研究团队将表达氯霉素乙酰转移酶、荧光素酶和β-半乳糖苷酶等蛋白的RNA表达载体注射到小鼠骨骼肌中，并检测到蛋白质的表达，“甚至不需要特殊的递送系统”。研究人员报告称，蛋白质的产生仅限于肌肉，并至少持续两个月。

什么是IVT mRNA？

体外转录（IVT）mRNA是在体外设计和生产的合成基因构建体，可在患者体内表达特定的蛋白质。对IVT mRNA的遗传操作可解决在体内瞬时表达蛋白质所遇到的难题，特别是控制翻译效率和免疫原性方面。

因此，目前人们正以IVT mRNA为基础来开发各种疗法和疫苗，比如基于mRNA的癌症免疫疗法、传染病疫苗、蛋白质替代疗法，以及基于细胞的再生医学。

IVT mRNA生产的金标准方法是利用来源于噬菌体的改良RNA聚合酶，以合成或化学修饰的三磷酸核糖核苷分子（rNTP）来合成mRNA。作为一种生产工艺，IVT既高效又稳定，但它需要序列特异性的启动子，而且在许多实例中，末端区域的组成是无法预测的。

安捷伦负责自动化电泳的产品经理Kyle Luttgeharm博士表示：“以IVT mRNA为基础的药物的安全性和有效性在部分程度上取决于稳定生产高质量IVT mRNA的能力。平行毛细管电泳等分析工具可快速测定IVT mRNA的大小和纯度，为用户提供生产高质量IVT mRNA所需的信息。”

作为一种基因治疗载体，IVT mRNA的优点之一是可以实现瞬时蛋白质表达，而且与基于DNA的基因疗法不同，它不需要进入细胞核来完成翻译。基于DNA的疗法需要利用宿主的核蛋白生产机制，而IVT mRNA则不然。一旦mRNA进入细胞质，就开始表达蛋白质，而且mRNA会在很短的时间内降解。

在IVT mRNA有机会进入细胞核之前，它已被早早处理，因此不会发生突变。由于细胞能快速处理和降解mRNA，而且mRNA不会被细胞核吸收，所以治疗只能在短期内起作用。从理论上讲，人们可根据mRNA降解和蛋白表达的参数，并根据患者的反应，关闭或开启治疗。

不仅仅是传染病

由于mRNA疫苗在COVID-19大流行中取得了巨大成功，故人们对IVT mRNA的看法偏向于免疫学及相关应用，比如预防传染病或作为癌症疫苗。尽管大多数以治疗为导向的mRNA研究仍侧重于各种形式的免疫，但再生医学也是一个新兴且值得期待的应用领域。

在过去30年内，器官、组织和细胞的再生都是一个热门话题，其潜在应用包括器官移植、组织再生以及恢复细胞功能（比如1型糖尿病患者的胰岛细胞）。然而，再生医学一直受到严重限制，因为它需要在实验室中培养组织并将其移植到患者体内。mRNA方法则能够指导生物体自身去完成这些复杂的过程。

这个过程可以通过三种方式完成，其中两种是基于细胞的。IVT mRNA技术可将体细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSC），或者将基因转移至干细胞中。在这两种情况下，细胞改造都是在体外进行的，经过进一步扩增，细胞被重新输注到患者体内。

另一种方式则采用无细胞（cell-free）策略，将mRNA构建体直接递送到患者的组织中，以提供生长因子或转录因子，向体细胞发出信号，使其呈现所需的表型，比如说表达因患病而表达不足的蛋白质。最近报道了几例有意思的概念验证研究，都是在动物模型上进行的。

例如，波士顿大学领导的一个研究团队通过脂质纳米颗粒包裹的mRNA（mRNA-LNP）来瞬时表达肝细胞生长因子（HGF）和表皮生长因子（EGF），诱导小鼠体内的肝脏再生¹。在这个例子中，生长因子诱导或增强了肝细胞的增殖能力，可恢复肝脏的全部功能。

在非酒精性脂肪性肝病的小鼠模型中，几乎所有的肝细胞都能被转染，除了内皮细胞和Kupffer细胞（肝巨噬细胞）。作者总结道，这种处理“显著逆转了脂肪变性，并加速了肝功能恢复”。而且，HGF和EGF mRNA-LNP加速了对乙酰氨基酚诱导的急性肝损伤后的肝脏再生，使得ALT迅速恢复到基线水平。

同样地，台湾和日本的一个联合研究小组也证明了IVT mRNA疗法有望加速椎间盘退变大鼠模型的愈合²。椎间盘退变涉及到组织结构成分（胶原蛋白、糖胺聚糖、蛋白聚糖）的分解和椎间盘基质的失调，从而导致纤维化。与对照相比，注射编码软骨合成代谢转录因子的mRNA能够更有效地保持椎间盘高度（解决结构问题），同时防止椎间盘组织纤维化。

此外，将“裸露的”mRNA注射到椎间盘中会引发炎症，而通过纳米胶束递送mRNA则减少了与此相关的炎症。研究人员总结说，mRNA医学“通过向宿主细胞中引入软骨合成代谢因子，具有治疗椎间盘退变的潜力”。

三十年前，mRNA就表现出临床应用的前景，如今，各种前沿方法的涌现为IVT mRNA的不同应用带来了新视角。除了mRNA疫苗，IVT mRNA在再生医学中的应用也值得关注。

参考文献

1.Rizvi, F., Everton, E., Smith, A.R. et al. Murine liver repair via transient activation of regenerative pathways in hepatocytes using lipid nanoparticle-complexed nucleoside-modified mRNA. Nat Commun 12, 613 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-20903-3

2.Lin, C.Y., Crowley, S.T., Uchida, S., et al. Treatment of Intervertebral Disk Disease by the Administration of mRNA Encoding a Cartilage-Anabolic Transcription Factor. Mol Ther Nucleic Acids. 2019 Jun 7;16:162-171. https://doi.org/10.1016/j.omtn.2019.02.012