一种用于RNA-LNP优先级排序及机制驱动生物学一致性评估的模块化安全性设计框架

《BMC Bioinformatics》：A modular Safety-by-Design framework for RNA-LNP prioritization and mechanistically informed biological consistency assessment

　　

摘要

背景

RNA 疗法的发展需要能够实现高效递送，同时限制不必要的免疫激活和脱靶效应的配方。计算工具可以在实验测试之前帮助探索这些相互竞争的目标，但机制解释、配方优先排序以及生物学一致性评估往往被分开处理。

方法

我们开发了一个模块化计算框架，包含两个互补的分析分支。候选优先排序分支结合了一个异质化的虚拟患者队列、一个包含 500 种配方的 RNA-脂质纳米颗粒（RNA-LNP）设计空间、五个与合成有效性和安全性相关的评价终点、一个综合"设计即安全"评分、一个随机森林代理模型，以及基于帕累托的多目标分析。在生物学一致性分支中，我们从此前发表的通用免疫系统模拟器（UISS）轨迹中提取描述符，将其浓缩为五个机制驱动的免疫特征（MIIS），用于约束合成多组学图谱，并在免疫程序层面与独立的人类单细胞 RNA 测序数据集 GSE171964 进行比较。MIIS 和合成多组学变量未被用作预测因子、终点输入或帕累托目标。

结果

在按配方分组的五折交叉验证中，随机森林在合成设计空间内再现了综合评分（汇总的折外 R2 = 0.887；RMSE = 0.055；MAE = 0.044）。主要帕累托分析识别出 21 种非支配配方。排名在 3,876 种替代"设计即安全"权重组合中通常具有稳健性，且对所有 100,000 个患者-配方对的完整平衡分析产生的排名与主要分析高度一致（Spearman ρ = 0.998；前 20 名重叠 18/20）。LNP_0462 在全球范围内以及在低、中和高炎症风险分层中均排名第一。七天后免疫反应期间平均 BPCI 为 0.760，超过了精确的标签置换零假设（p = 0.025），尽管逐日证据和供体水平的不确定性存在异质性。

结论

本概念验证框架支持在完全合成的设计空间内透明地探索疗效-安全性权衡，并对 RNA-LNP 配方进行优先排序。额外的敏感性分析表明，领先候选配方对替代评分权重、采样平衡和炎症风险分层具有稳健性。MIIS/BPCI 分支提供了对免疫程序组织的独立评估，而非对个体配方的验证。在得出关于生物学或临床表现的结论之前，需要进行实验测试和额外人类数据集的评估。