助力信使RNA递送的新兴纳米生物技术

来源：X一MOL资讯

新冠疫情全球流行，争分夺秒为全人类研制疫苗成为当务之急。信使核糖核酸（messenger RNA, mRNA）被誉为“生命软件”，作为一种全新的疫苗类型，可以在人体实现“微型药厂”的功能，让身体生产所需的治疗蛋白质。除疫苗外，mRNA技术具有广泛的应用，如基因编辑和癌症免疫疗法等。然而，外源mRNA分子较为脆弱，容易被酶降解，且很难进入细胞。因此，利用载体来实现mRNA分子有效的保护和递送是mRNA技术发展的关键。
纳米技术的最新进展使有效递送mRNA成为可能。目前研究者已开发多种用于mRNA递送的纳米材料，例如多肽、脂质体、高分子聚合物和无机纳米颗粒等。纳米材料介导的mRNA递送过程主要包括以下几步：1）纳米材料与mRNA分子结合；2）纳米材料与mRNA形成的复合物被递送到特定组织；3）纳米材料与mRNA复合物被特定细胞摄取；4）内体逃逸后mRNA在细胞质中释放；5）mRNA与核糖体结合以翻译成蛋白质。当前研究主要聚焦在调节纳米材料的结构，进而控制其与mRNA分子的物理作用，因而纳米载体的功能往往局限在递送过程的前四步，但很少直接调节mRNA递送的最终步骤——蛋白质翻译过程。新兴的纳米生物技术可从全局调整mRNA递送载体的设计思路，通过对最后一步翻译过程的调节，设计开发新型mRNA递送系统，并为特定应用定制功能载体。近日，昆士兰大学的余承忠教授课题组撰写综述，总结了调控mRNA翻译过程的纳米材料以及纳米材料用于mRNA递送的最新进展。

该综述首先介绍如何基于真核生物mRNA翻译过程的原理及过程（翻译起始、延长、终止和核糖体回收），设计纳米载体作为mRNA翻译调节剂。例如，纳米材料表面可通过修饰DNA或复合翻译起始因子，实现和mRNA的特异性结合以及核糖体蛋白的非特异性结合，从而降低对mRNA的酶解，同时增强mRNA与核糖体的结合及mRNA翻译。此外，余承忠教授课题组报道了纳米材料化学可调控特定细胞翻译的信号通路（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2695）。利用具有四硫键的氧化硅纳米颗粒消耗抗原呈递细胞中的谷胱甘肽，减少甘油醛3-磷酸脱氢酶介导的翻译抑制，同时激活雷帕霉素靶蛋白通路，从而上调mRNA翻译能力。这种生物化学与材料化学整合的设计思路，克服了抗原呈递细胞中mRNA递送水平低的难题，有望用于mRNA疫苗的进一步研究。
该综述亦介绍了纳米材料结构对mRNA递送前四步的影响。例如，纳米载体的尺寸效应、疏水性、表面电荷如何影响其对mRNA的结合，靶向递送，促进内体逃逸，从而调控mRNA的递送效率。文章还对最新具有与mRNA表达的蛋白质有协同作用或互补功能的纳米载体设计进行了总结，如免疫疗法中具有免疫刺激特性的纳米材料如何提供先天免疫与抗原mRNA提供的适应性免疫协同，提升疗效。
可以预见，通过多学科交叉，纳米生物技术有望设计更高效的mRNA递送载体，以进一步推动mRNA技术的发展和应用。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie 上，文章的第一作者是昆士兰大学博士生王玥。
原文：Emerging concepts of nanobiotechnology in mRNA deliveryYue Wang, Chengzhong Yu* Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202003545
余承忠教授简介

余承忠，澳大利亚昆士兰大学教授。研究重点是用于生物技术、清洁能源和环境保护的新型纳米材料。自2000年来发表了包括J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater.等在内的290多篇论文，被引用超过两万次，H因子为73。获得澳大利亚科学院Le Fevre Prize等奖项。