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简介
COVID-19的大流行把mRNA疫苗推向整个生物药行业的C位，ioNTech/ Pfizer，Moderna已经上市，在欧美广泛接种。值得注意的是二者的递送系统均为脂质纳米颗粒。疫苗开发的速度也超出了预期，这些结果仅在SARS-CoV-2序列公开发布后10个月才出现。
与其他药物形式（包括小分子，DNA，寡核苷酸，病毒系统和蛋白质，包括抗体）相比，mRNA治疗剂具有许多优势和若干挑战。与DNA相比，mRNA仅需要进入细胞质核糖体翻译，而无需进入细胞核，因此不存在基因组整合的风险。与蛋白质和病毒系统相比，mRNA的生产过程无细胞，速度更快，并且蛋白质产物具有天然的糖基化和构象特性。当与脂质纳米颗粒（LNP）输送系统结合使用时。
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技术平台开发中的主要挑战因素
自身的免疫原性、对酶促降解的敏感性导致不稳定、裸mRNA难以被细胞摄取。mRNA的固有免疫原性归因于细胞通过Toll样受体（TLR），激活免疫系统，尽管这种激活可能有助于增强对mRNA疫苗的免疫反应，但直接的作用是通过eIF2a的PKR磷酸化来下调翻译，这削弱了eIF2的活性，抑制了mRNA的翻译，从而抑制了对蛋白质合成。消除这种先天免疫应答的主要方法是在序列中使用例如1-methylpseudouridine和其他存在tRNA和rRNA中的不常见的核苷酸而不是常见的核苷酸，是的固有免疫系统对他们不敏感。这种修饰技术已经在在BionTech / Pfizer和Moderna SARS-CoV-2疫苗中使用，并且在临床试验中显示出> 94％的有效效。另一种方式是CureVac所采用的：通过密码子优化和尽量不使用鸟苷酸，因为TLR7和TLR8主要识别富含GU的单链RNA序列。
mRNA治疗的第二个挑战是其对核酸酶的敏感性，例如血清中半衰期小于5分钟。尽管siRNA的化学修饰在提高稳定性和降低免疫原性方面非常成功，但迄今为止，由于翻译机制对这些修饰的敏感性 ，它们尚未成功用于mRNA修饰。
mRNA的第三个挑战是除未成熟的树突状细胞外，大多数细胞类型中缺乏裸露的mRNA的细胞摄取能力。通过合适的递送系统携带mRNA可以解决这最后两个挑战，既可以保护mRNA不受酶的攻击，又可以促进细胞的摄取。比如，在动物模型中使用脂质纳米颗粒载体系统与nakedmRNA相比，mRNA的表达效率可以提高1000倍。
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递送系统
这些临床试验中的所有mRNA递送系统都是脂质纳米颗粒，辉瑞-BionTech LNP和Moderna LNP的确切组成已公开披露，而其他一些则没有，其他的都最有可能类似于Alnylam Onpattro™产品。
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脂质纳米颗粒的组装和结构
目前，mRNA脂质纳米颗粒的生产方法利用微流体或T型接头混合，将含有疏水性脂质的乙醇相和含有mRNA的水相快速混合在pH值为4的缓冲液（如乙酸）中。微流体混合的优势在于能够将乙醇中的极少量脂质与水溶液中的mRNA（数十微升）混合，从而可以筛选许多组分和配方参数。
另一方面，T-mixing是商业生产大批mRNA LNP（例如当前临床试验中的LNP）的通用选择方法。最近的文献证明这两种方法均可以生产大小和形态相似的LNP颗粒，将最终生产的颗粒尺寸限制为<100 nm，其中两种溶液的快速混合是关键。由这些溶液组装和形成LNP的过程是由疏水力和静电力共同驱动的。四种脂质（可电离脂质，DSPC，胆固醇，PEG-脂质）最初可溶于乙醇，而没有其他可中和的离子，因此可电离的脂质为非质子化且电中性。通常将一体积的含脂质的乙醇溶液与三体积的mRNA在pH = 4的醋酸盐缓冲液中混合，这样，当脂质与含水缓冲液接触时，它们变得不溶于3：1的水/乙醇溶剂和可电离的脂质变成质子化并带正电荷，然后驱使它与mRNA的带负电荷的磷酸骨架静电结合，形成包裹mRNA的脂质颗粒并在水溶液中悬浮液中。
该过程中的关键成分是PEG-脂质，因为PEG链是亲水性的，因此可以包覆颗粒，并决定其最终的热力学稳定尺寸。通过改变PEG的摩尔分数，可控制LNP的大小，例如100 nm颗粒时PEG-脂质为0.5％摩尔分数，43 nm 颗粒粒径事PEG-脂质为3％摩尔分数。
最近一项重要数据显示，当将mRNA LNP悬浮液在水性缓冲液中稀释或在水性缓冲液中透析以提高pH值并消除乙醇时，LNP的结构和大小在混合后仍在继续变化。水相和脂质相的初始混合产生的pH值接近5.5，使可电离脂质质子化，其LNP pKa值接近6.5，并促使mRNA结合和封装。随后通过稀释、透析或切向流过滤提高pH值，可中和可电离的脂质，当可电离脂质变为中性时，它的溶解度也降低，导致形成较大的疏水性脂质结构域，从而驱动LNP的融合过程，从而增大其尺寸，LNP的核心变成非晶态的电子致密相，主要是含有与mRNA结合的可电离脂质。据估计，在此过程中，多达36个囊泡可融合形成仅一个最终的LNP。这项研究以及另一项使用中子散射方法的研究也表明，DSPC在LNP外围PEG层的下方形成一个双层，其中心核心主要是与mRNA结合的可电离脂质。
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递送系统性能的决定因素
mRNA传递系统的性能决定因素是多因素的且相互作用的，包括：（1）它们传递至合适细胞并有效释放mRNA到细胞质进行翻译的效率；（2）佐剂，可增强免疫反应，已知脂质纳米颗粒具有其自身的佐剂活性；（3）将注射部位过度炎症或全身分布和脱靶表达可能引起的不良事件或毒性的影响降至最低。4）剂量：在SARS-CoV-2临床试验中，目前正在追求的大剂量剂量最容易理解mRNA递送系统的效力，从1到100 μg。人体试验中的剂量明显分为高剂量的核苷修饰RNA（Moderna，BioNTech）30–100 μg，未修饰的RNA（CureVac，Translate Bio）较低的7.5–20 μg，甚至低剂量的10–10 μg；5）LNP最常引用的决定其效价或递送效率的特征是其pKa。pKa是LNP中50％的可电离脂质质子化的pH。一个很好的解释这种pKa依赖性的模型是基于LNP中的可电离脂质在pH 7.4时接近中性，而在内化进入细胞后，内体的pH值随着通过内溶酶体途径的发展而开始下降。使可离子化的脂质质子化，然后将其与内体的阴离子内源性磷脂结合并破坏其双层结构，从而将mRNA释放到细胞质中通过核糖体进行翻译。
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结论
在过去的二十年中，mRNA治疗技术取得了非凡的进展，首先是确定了使用修饰的核苷和序列工程技术来控制mRNA固有免疫原性的方法，以及在疫苗和其他治疗适应症中应用mRNA的方法。与以前的系统相比，采用siRNA传递中使用的脂质纳米颗粒原型导致传递效率提高了一个数量级，并且仍在不断提高，这主要归功于新型可电离脂质的设计。mRNA LNP结构、功能、效价、靶向性和生物学特征（如佐剂性）的许多方面仍有待探索，以便充分利用这种强大的转化治疗方式的潜力。
参考文献：
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7836001/， Nanomaterial Delivery Systems for mRNA Vaccines.
