《自然评论·癌症》权威综述：基于mRNA的抗癌疗法，或将改变癌症治疗的未来！

2023-07-17
生物谷
信使RNA细胞疗法疫苗免疫疗法
“时势造英雄”，用来形容近几年的mRNA技术真是非常合适。基于mRNA技术研发的个体化癌症疫苗，此前就让学界翘首以待，而技术手段的进步，更是让围绕mRNA的更多疗法成为可能。
“时势造英雄”，用来形容近几年的mRNA技术真是非常合适。基于mRNA技术研发的个体化癌症疫苗，此前就让学界翘首以待，而技术手段的进步，更是让围绕mRNA的更多疗法成为可能。
近期，哈佛大学和浙江大学医学院的专家们就在《自然评论·癌症》（Nature Reviews Cancer）共同撰文，深度解读了当前基于mRNA的抗癌疗法发展现状，技术特点与未来发展前景，这又是一篇不容错过的好文章[1]！浙江大学医学院孔娜研究员是本文的通讯作者之一。
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论文首页截图
前言
制约mRNA用于临床治疗的挑战，主要是mRNA本身不稳定且存在免疫原性，但纳米技术的进展，特别是脂质纳米颗粒的出现，才真正使基于mRNA的抗癌疗法成为可能。总体而言，基于mRNA的抗癌疗法有一个共同原理，即：mRNA被成功翻译为蛋白质，以抑制肿瘤生长或诱导/加强抗肿瘤免疫应答。
例如以mRNA直接编码抑癌蛋白，或在癌细胞内部/肿瘤微环境中编码可激活免疫应答的肿瘤新抗原、细胞因子，又或是干扰调控癌细胞存活的关键基因表达，乃至以mRNA技术进一步强化CAR-T疗法/TCR-T疗法等等，都是有可行性的思路。
此外，科研和产业界还在探索新型mRNA，如自扩增mRNA（saRNA）、反式扩增mRNA（taRNA）、环状mRNA（circRNA）的设计和应用，以及mRNA纳米微粒长期保存手段、给药途径和器官选择性的精准翻译等课题，这些探索将有望使基于mRNA的抗癌疗法更进一步，真正覆盖各种类型癌症、造福广大患者群体。
mRNA的种类和递送平台
体外人工合成的经典mRNA与真核细胞内的mRNA结构相似，且易于调整、合成简便、可大量制备，而不需进入细胞核也能规避影响遗传物质的风险，但在设计上降低免疫原性和不稳定性、提升蛋白质表达效率则尤为重要。
例如从结构优化的角度而言，可借助自体或合成类似物，对mRNA的5’端帽子结构进行优化，提高mRNA的稳定性、转录效率和激活免疫应答的能力，其它优化还有对5’端或3’端非翻译区（ORT）的化学或序列优化，对开放阅读框架（ORF）区的密码子优化，将3’端Poly(A)尾的长度控制在120-150个核苷酸等等等等。
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人工合成常规mRNA结构及优化的可行性
不过经典形态的mRNA也有一些问题难以克服，如在翻译开始后容易降解，因此或需多次给药以维持理想的蛋白质表达水平，可能引发副作用乃至“脱靶效应”，探索saRNA等新型mRNA就是为解决这些问题，新型mRNA往往有更稳定的结构和更高的蛋白质表达效率，乃至独特的调节作用和制备使用优势。
例如saRNA除可表达目标蛋白外，其ORF区域的非结构基因nsP1-4还可携带表达RNA依赖性RNA聚合酶（RdRP）的序列，作为亚基因组启动子，使RdRP以saRNA为模板产生更多拷贝，这让saRNA的蛋白表达持续时间比经典mRNA更长；而taRNA则有制备简便和安全的优势，circRNA的独特结构则是一把“双刃剑”。
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探索中的新型mRNA结构
病毒以外的mRNA载体
病毒载体是当前避免mRNA在体液内被快速降解的主要手段，但人体对相应病毒的既往免疫和新诱导免疫，也可能导致mRNA疗法效率低下，因此非病毒性的mRNA封装材料或是更优解，例如mRNA疫苗广泛使用的各种脂质载体，以及阳离子聚合物（polycations）等等，一些载体还可通过“佐剂效应”增强免疫应答。
编码肿瘤抗原的mRNA
基于癌症特点编码特异性抗原，并顺利被免疫细胞识别以激活免疫应答，是mRNA癌症疫苗的核心作用机制，而mRNA疫苗可编码的抗原也有分类，即肿瘤相关抗原（TAAs）和肿瘤特异性抗原（TSAs），需要分别进行叙述和讨论。
TAAs-mRNA疫苗
TAAs在癌症治疗中的应用相对更广泛，其特点是在癌细胞表面高表达，但也在正常组织中表达，肿瘤特异性和免疫原性较弱，且机体普遍对单一TAA高度耐受，因此癌症疫苗大多采用“TAAs组合”以增强疗效。
目前已进入临床研究阶段的树突状细胞mRNA疫苗，大多就同时编码了多个TAAs，还有在研疫苗尝试编码从肿瘤组织和肿瘤干细胞中提取的肿瘤全RNA组，以略过TAAs选择并激活强有力的免疫应答，联合化疗、免疫治疗等手段还有望进一步提升疗效，已有大量临床早期研究在探索联合治疗的可行性。
不过树突状细胞mRNA疫苗的制备复杂、花费较高，因此近年来的mRNA癌症疫苗也逐渐转向使用脂质纳米微粒（LNP）等合成载体，例如知名的Lipo-MERIT疫苗平台就将mRNA与阳离子脂质络合，靶向脾脏中的树突状细胞以激活T细胞免疫应答，基于该平台的BNT111等疫苗已在挑战关键III期临床研究。
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编码TAAs的mRNA癌症疫苗作用机制示意图
TSAs-mRNA疫苗
TSAs即“肿瘤新抗原”，在定义上只对应癌细胞的基因突变，因此理论上不会被免疫耐受所束缚，且不同肿瘤的突变谱差异为定制高度个体化癌症疫苗提供了可能。编码TSAs的mRNA癌症疫苗，设计上仍采用上文提到的LNP和病毒载体两条路线，可同时编码数十个TSAs，但制备较为繁琐且价格高昂。
以mRNA编码细胞因子
细胞因子对肿瘤微环境有显著的调节作用，但采用类似系统性化疗的方法注射细胞因子只会“事倍功半”，疗效、安全性和给药方式等多方面表现都不尽人意，但mRNA技术有望解决制约传统细胞因子疗法的一系列瓶颈，如半衰期较短、无法将给药范围局限于肿瘤微环境局部、制备繁琐且耗时长等等。
目前被重点探索用于mRNA疗法的细胞因子有IL-2、IL-12和干扰素-α等，瘤内注射由LNP封装的相应编码mRNA，可在动物实验中有效激活免疫应答。而与mRNA疫苗类似，同时混用多种细胞因子的mRNA，可激活更广泛的免疫应答，如IL-23/IL-36/OX40L-mRNA组合疗法就在临床前研究中表现出色[2]。
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以mRNA编码关键细胞因子调节抗肿瘤免疫应答的目标
以mRNA编码抑癌蛋白
利用纳米微粒等载体递送编码p53、PTEN等关键抑癌蛋白的mRNA，有望快速、大幅提高抑癌蛋白表达水平以有效抗癌，如2019年本文作者团队开展的一项研a href="https://www.medsci.cn/topic/show?id=370d8126914">肝癌和非小细胞肺癌有抗肿瘤活性，还有望增敏现有抗癌药物（依维莫司）[3]。
抑癌蛋白不仅本身有重要生理功能，还对肿瘤微环境有显著调节作用，撰写本次综述的哈佛团队已开展研究证实：编码p53的mRNA与PD-1抑制剂联合使用可协同增效[4]，这将是未来值得深入探索的“免疫Combo”之一。
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以mRNA编码抑癌蛋白，双管齐下抗癌
以mRNA编码Cas9用于基因编辑
CRISPR-Cas9基因编辑技术不仅是科研利器，也有望成为抗癌大杀器，但其起效的关键是小向导RNA（sgRNA）和Cas9成功被递送到靶细胞内，而mRNA技术可助力Cas9的递送，且Cas9 mRNA可显著减少脱靶效应和基因毒性。
2020年中美两国学者共同开发的选择性器官靶向脂质纳米颗粒（SORT-LNP）技术，则突破了传统病毒载体的局限性，使编码Cas9的mRNA能够被成功递送到肝脏以外的器官起效[5]，基因编辑效率也较好。基于SORT-LNP平台开发的mRNA药物已在2023年完成临床I期研究首例给药，预计也将很快正式进军抗癌治疗。
此外，还有研究尝试在脂质纳米颗粒里同时封装Cas9 mRNA和sgRNA，使用于卵巢癌和胶质母细胞瘤时的基因编辑效率提升到了70-80%，后续研究则在此基础上，进一步封装了关键基因的小干扰RNA（siRNA）来继续增效[6]。
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以mRNA编码Cas9介导基因编辑，助力抗癌治疗
以mRNA编码CAR或TCR
CAR-T或TCR-T细胞疗法的体外改造过程，往往需要以逆转录病毒或慢病毒载体，将CAR/TCR序列插入患者T细胞基因组，但转染存在诱发基因突变的风险，而mRNA技术可有效降低风险并提高转染率，如mRNA电穿孔技术导入CAR已成为科研探索的首选，该方法可使CAR在T细胞表面短暂表达约1周。
以mRNA诱导CAR/TCR的短时间内表达，可避免CAR/TCR存在时间过长引发的风险，还可同时递送其它免疫活性物质以实现协同增效，但缺点在于需重复多次给药，为此需继续优化mRNA结构以提升其稳定性和翻译效率。
当前已有多种借助mRNA技术的CAR-T疗法进入临床早期研究，但mRNA技术可能有着更大的意义：注射精准靶向T细胞、且编码CAR/TCR的mRNA-LNP，如能在体内对T细胞实现重编程，并产生可持续扩增的CAR-T/TCR-T细胞，就有望解决当前过继性疗法个体化制备的许多难题，但探索还只是刚刚起步而已。
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以mRNA编码CAR或TCR
结语及未来
mRNA技术必将在未来参与到各种疾病的治疗之中，而癌症很有可能就是第一个关键战场，为此mRNA技术和相关疗法的开发，需要继续破解多个难题：
1.设计mRNA疫苗时应选择更合适和有效的肿瘤抗原，为此需有效识别和筛选新抗原，制备疫苗也必须更快速和廉价，高通量基因测序和数据分析提升将是关键；
2.为突破mRNA的递送瓶颈，如仅能递送到肝脏等纳米微粒的常见靶器官，药物递送平台需要全面拓展升级，未来研究可考虑借助“遗传条形码”追踪mRNA在体内的递送流程和特点，分析突破体内关键屏障的需求，也可考虑外泌体
3.mRNA疗法的给药方式可参考mRNA疫苗尝试创新，如采用口服、可溶性微针贴片或吸入式凝胶等，提升对特定部位的给药效率；
4.继续探索新型mRNA即saRNA、taRNA和circRNA等的应用，解决延长mRNA翻译产物持续存留时间的关键问题，并积极尝试与现有免疫治疗的联合；
5.由于Cas9 mRNA长度远超常规mRNA，给封装带来了很大挑战，未来可能需转向封装编码基因编辑工具蛋白，如IscB、IsrB的mRNA。
参考文献：
[1]Liu C, Shi Q, Huang X, et al. mRNA-based cancer therapeutics[J]. Nature Reviews Cancer, 2023.
[2]Hewitt S L, Bai A, Bailey D, et al. Durable anticancer immunity from intratumoral administration of IL-23, IL-36γ, and OX40L mRNAs[J]. Science Translational Medicine, 2019, 11(477): eaat9143.
[3]Kong N, Tao W, Ling X, et al. Synthetic mRNA nanoparticle-mediated restoration of p53 tumor suppressor sensitizes p53-deficient cancers to mTOR inhibition[J]. Science Translational Medicine, 2019, 11(523): eaaw1565.
[4]Xiao Y, Chen J, Zhou H, et al. Combining p53 mRNA nanotherapy with immune checkpoint blockade reprograms the immune microenvironment for effective cancer therapy[J]. Nature Communications, 2022, 13: 758.
[5]Cheng Q, Wei T, Farbiak L, et al. Selective organ targeting (SORT) nanoparticles for tissue-specific mRNA delivery and CRISPR–Cas gene editing[J]. Nature Nanotechnology, 2020, 15(4): 313-320.
[6]Zhang D, Wang G, Yu X, et al. Enhancing CRISPR/Cas gene editing through modulating cellular mechanical properties for cancer therapy[J]. Nature Nanotechnology, 2022, 17(7): 777-787.
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