Synthetic mRNA：金鑰傳遞者

mRNA在新冠疫情中異軍突起，成為炙手可熱的治療開發方向，目前在臨床用途主要集中在傳染病的疫苗、取代蛋白質或DNA進行基因治療遺傳性疾病或癌症。然而開發mRNA作為一種治療手段也面臨著與任何藥物投遞相同的挑戰：穩定性與傳遞。
 

首先mRNA依然可能激發急性免疫反應，進而被清除，無法有效地發揮功能。雙鏈和單鏈RNA與檢測病原體相關的模式識別受體（pattern-recognition receptors, PRRs）, 如包括Toll-like receptor（TLRs）相互結合，隨後通過MyD88和TRIF等下游信號傳遞啟動了細胞發炎反應1, 2。

Kormann et al.證實帶有修飾核苷酸類似物的mRNA，例如2-thiouridine與 5-methylcytidine可以阻止TLR的信號傳遞，降低受mRNA刺激的樹突狀細胞 (dendritic cell, DC) 其細胞激素的表達量3。另也發現2-thiouridine與 5-methylcytidine可抑制mRNA與TLR 3、7、8以及視黃醇誘導基因-1產物（retinoid-inducible gene-1 produc，另一種PRR）的接觸，並可抑制已轉染mRNA之血液單核細胞中的細胞激素，例如：干擾素IFN-g和IFN-a，以及白細胞介素-12（IL-12）的表達。修飾核苷酸類似物有效地被抑制mRNA所引發的急性免疫反應，增加mRNA於體內的穩定性。

 

除了通過mRNA本身的核酸修飾來增加穩定性，高效率的體內mRNA傳遞材料與系統對實現治療相同地至關重要。外源mRNA必須穿透脂質膜的屏障，才能到達細胞質，轉化為功能性蛋白質，mRNA的吸收機制與細胞類型極為相關，mRNA複合物的理化性質則可深刻影響其傳遞效率和可到達分佈的器官。

曾經，傳遞mRNA至細胞的基本方法有兩種：第一，將mRNA載入到體外培植的細胞中，然後將已接受mRNA的細胞回輸於體內4，可精確控制細胞目標、轉染效率和其他細胞條件，但昂貴和勞動密集；第二，直接於目標位置注射mRNA，無論是否具有運輸載體，但無法精確和有效的進行特異性傳遞。為了結合兩種傳遞方式的優點，各種載體分子的開發相應而出5：mRNA與帶正電荷的水包油陽離子奈米乳狀物（A）。mRNA與化學修飾的樹枝狀聚合物和聚乙二醇（PEG）脂質複合物（B）；PEG-脂質奈米粒子中的原胺(protamine)複合mRNA（C）；mRNA與陽離子聚合物如聚乙二醇（PEI）相關（D）；與陽離子聚合物如PEI和脂質成分相關的mRNA（E）；以多糖（例如殼聚糖）顆粒或凝膠包覆的mRNA（F）。陽離子脂質奈米顆粒（例如：1,2-二油醯氧基-3-三甲基銨丙烷（DOTAP）或二油醯磷脂醯乙醇胺（DOPE））中的mRNA（G）；與陽離子脂質和膽固醇複合的mRNA（H）；以及與陽離子脂質、膽固醇和PEG-脂質複合的mRNA（I）。
 

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Reference

1. Kawai T and Akira S The role of pattern-recognition receptors in innate immunity: update on Toll-like receptors. Nat Immunol. 2010; 11: 373-384
2. Brennan K and Bowie AG Activation of host pattern recognition receptors by viruses. Curr Opin Microbiol. 2010; 13: 503-507
3. Kariko K el al. Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors: the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA. Immunity. 2005; 23: 165-175
4. Diken, M. et al. Selective uptake of naked vaccine RNA by dendritic cells is driven by macropinocytosis and abrogated upon DC maturation. Gene Ther. 18, 702–708 (2011).
5. Pardi, N., Hogan, M., Porter, F. et al. mRNA vaccines — a new era in vaccinology. Nat Rev Drug Discov 17, 261–279 (2018).  link