再生医学新宠儿，mRNA技术成为骨缺损临床治疗新方案！

2023-06-30

信使RNA临床研究核酸药物寡核苷酸基因疗法

尽管人体骨骼具有一定的自愈能力，但临床仍无法完全克服由创伤、感染或其他疾病引起的骨折、骨缺损引起的患者生活质量下降和长期护理治疗带来的挑战。临床实践中，自体骨移植被认为是局部骨再生的治疗“金标准”，但由于自体骨供体供型有限、移植感染风险大、手术难度和侵袭度大，仍是让骨外科医生头疼的临床挑战。临床研究中已初步采用了例如人工支架、细胞移植和生长因子联用的治疗护理方案，并得到了有力验证，但目前仍未能建立相关的护理标准。人类骨骼可通过两种方式再发育，一是由间充质祖细胞直接分化形成成骨细胞，二是先首先促进软骨形成，经软骨内骨化后形成成骨细胞，这两种方式均由多种血管生长因子和成骨生长因子诱导调控。因此，有越来越多的研究者开始将研究目标转向与血管生成因子和成骨转录因子活性密切相关的骨再生过程。基于mRNA的骨再生治疗研究BMP-2蛋白是一类骨诱导性的骨形态发生蛋白，通过上述二过程的软骨内骨化分化形成成骨细胞帮助骨再生。早在2002年，FDA就批准了美敦力公司基于重组人类BMP-2蛋白的植入物作为骨移植再生材料。然而该产品价格昂贵，在实际临床使用中的功效和副作用并不理想。需要指出的是，这类生长因子蛋白的半衰期很短，临床上需要超生理剂量给药，也因此常会带来严重的副作用。去年，来自美国梅奥医学中心的研究人员就尝试使用化学修饰的mRNA编码BMP-2蛋白，在大鼠骨缺损模型中成功诱导了显著的骨再生，修复长骨节段性缺损。与BMP-2蛋白不同，血管内皮生长因子（VEGF）直接参与骨髓间充质干细胞的成骨分化并恢复血液供应，在骨再生中发挥重要作用。Runx2是转录因子RUNX 家族的一员，胚胎学研究发现，Runx2是成骨过程中成骨分化和成熟的必需转录因子。早前就有研究使用编码VEGF和Runx2的质粒DNA（pDNA）在小鼠颅骨缺损模型中进行基因治疗，以实现同时施用转录因子和分泌因子。然而，pDNA在非分裂细胞中的转染效率较低，基因组整合诱变的风险也阻碍了其临床应用。近日，来自东京医科齿科大学（TMDU）的研究团队在期刊Inflammation and Regenetation上发表了“Enhancement of bone regeneration by coadministration of angiogenic and osteogenic factors using messenger RNA（通过mRNA共同施用血管生成因子和成骨因子来增强骨再生）”的研究文章。在该项研究中，研究人员基于pDNA编码VEGF和Runx2进行骨缺损治疗的经验，使用了编码VEGF和Runx2的mRNA结合聚复合纳米胶束（Polyplex Nanomicelles）来治疗下颌骨缺陷大鼠模型。研究发现，相较于编码单一一类生长因子蛋白，基于mRNA的组合给药方式能够更加显著地加速骨再生过程。图1. VEGF/Runx2 mRNA-Nanomicelles治疗下颌骨缺陷大鼠模型的原理过程除了使用聚复合纳米胶束递送mRNA，该研究团队还检验了LNP递送系统在局部组织再生过程中的安全性和有效性。研究发现，使用LNP-mRNA进行局部注射时，注射部位会观察到炎症反应甚至严重发炎症状，因此LNP可能并不适合应用于组织再生的给药。同样不可否认的是，传统非复制线性mRNA本身用于组织再生工程仍不是最佳。由于组织再生及修复耗时长，所需的蛋白质翻译量巨大，传统mRNA循环寿命短翻译量低，只能通过多剂量给药的方式增加生长因子蛋白的表达。早在2021年，上海交通大学儿童医学中心付炜教授就曾使用基于BMSCs（骨髓间充质干细胞）共递送BMP-2 modRNA和VEGF-A modRNA的治疗方案，协同驱动成骨和血管生成，产生了卓越的愈合特性。该方法首先从髂骨骨髓中分离出BMSCs并在体外扩增。然后在体外共转染BMP-2 modRNA和VEGF-A modRNA对BMSCs进行工程化改造，在将其接种入支架Scaffold中，植入骨骼缺损部位。图2. 基于BMSCs共递送BMP-2 modRNA/VEGF-A modRNA无独有偶，2022年，中科院深圳先进技术研究院于寅研究员在预印本bioRxiv发表的“Highly efficient healing of critical sized articular cartilage defect in situ using a chemically nucleoside-modified mRNA-enhanced cell therapy”一文中，同样使用了mRNA工程化后的骨髓间充质干细胞（BMSCs）治愈软骨损伤。推荐阅读：深圳先进院开发修饰mRNA增强干细胞疗法，原位注射实现软骨再生。在小鼠模型中，原位注射TGF-β3 cmRNA +BMSCs，在六周时间内成功将软骨损伤修复到自然水平。此外，通过TGF-β3 cmRNA增强的BMSCs疗法还能够阻止软骨损伤造成的骨性关节炎（osteoarthritis, OA）。这种利用mRNA技术增强基于MSCs的干细胞疗法成为修复软骨损伤的新疗法。总结近些年的研究逐渐向我们揭示了mRNA技术应用于再生医学领域的巨大潜力以及众多可能的治疗场景。多项研究发现，传统的mRNA制剂配方，如LNP-mRNA的炎症发生并不适用于需要持久足够蛋白质表达的组织再生工程，转而将mRNA技术与细胞治疗联合可能是避免传统配方副作用等问题的关键。与细胞疗法组合治疗的方式本质上是以骨髓间充质干细胞作为递送载体，向体内递送编码成骨生长因子和转录因子蛋白的修饰mRNA。将成功转染的工程化干细胞注射到治疗部位后，干细胞会分泌mRNA编码的治疗性蛋白，与干细胞协同作用，更好地重构受损器官或者组织。与单独使用 mRNA 技术相比，mRNA+细胞治疗的方式有着更好的治疗效果，需要克服的问题也更加复杂。未来要想真正应用于临床，还需要解决干细胞的分离与培养，转染试剂的选择，治疗蛋白的表达调控等问题。但不可否认，mRNA技术在再生医学领域已沉淀有足够大的转化潜力！参考资料[1] Zhang M, Fukushima Y, Nozaki K, Nakanishi H, Deng J, Wakabayashi N, Itaka K. Enhancement of bone regeneration by coadministration of angiogenic and osteogenic factors using messenger RNA. Inflamm Regen. 2023 Jun 20;43(1):32. doi: 10.1186/s41232-023-00285-3.[2] Geng Y, Duan H, Xu L, Witman N, Yan B, Yu Z, Wang H, Tan Y, Lin L, Li D, Bai S, Fritsche-Danielson R, Yuan J, Chien K, Wei M, Fu W. BMP-2 and VEGF-A modRNAs in collagen scaffold synergistically drive bone repair through osteogenic and angiogenic pathways. Commun Biol. 2021 Jan 19;4(1):82. doi: 10.1038/s42003-020-01606-9.[3] doi: 10.1101/2022.05.06.490932