在公共卫生干预中，疫苗是阻断传染性疾病传播的最重要措施之一。近年来，基于信使核糖核酸（mRNA，Messenger RNA）的疫苗逐渐凸显优势，有望成为预防和治疗传染性疾病以及癌症的有效策略。
其中，一大里程碑事件是 2020 年底美国食品药品监督管理局批准辉瑞-BioNTech联合研制的抗新冠 mRNA 疫苗在美国的紧急使用，这也是史上第一款用于临床的传染病 mRNA 疫苗。
mRNA 新冠疫苗的面世，极大鼓舞了癌症疫苗研发者。BioNTech创始人也于不久前表示，癌症疫苗或于 2030 年前问世。
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（来源：Pixabay）
抗原递送，是 mRNA 肿瘤疫苗面临的最大挑战之一
然而，癌症疫苗和传染病疫苗的治疗思路并不完全相同。针对传染病的 mRNA 疫苗的保护作用，主要由强大的体液免疫力赋予。
相比之下，针对癌症的治疗性 mRNA 疫苗，还必须诱导强大的细胞毒性 CD8+ T 细胞介导的细胞免疫，只有这样才能根除癌细胞。
一般来说，治疗性 mRNA 癌症疫苗，通过为患者接种编码癌症特异性的 mRNA 抗原和免疫刺激佐剂，来引发长期的抗肿瘤免疫作用。
尽管脱氧核糖核酸（DNA）、mRNA 和蛋白质，都可以用作抗原或者治疗试剂。但是，基于 mRNA 的疫苗具有一些显著优势。
首先，与 DNA 相比，mRNA 只需要被递送至细胞质进行瞬时翻译，不用像 DNA 那样被递送至细胞核；由于不依赖于核膜破坏，mRNA 比 DNA 更有效。
其次，由于不需要整合到基因组，基于 mRNA 的治疗更安全，插入诱变风险较低。
再次，mRNA 可以通过体外合成转录方法，具有产品质量标准、可重复、和相对便宜的优势，因此能被快速用于不同疾病的治疗中。
此外，与基于蛋白质的治疗相比，mRNA 治疗更经济，因为单个 mRNA 可以翻译成多份蛋白质。所以，基于 mRNA 的核酸疫苗在癌症治疗中非常有前途。
当下，mRNA 肿瘤疫苗面对的最大挑战之一便是 mRNA 抗原的递送。裸 mRNA 是一种本质上不稳定且带负电荷的亲水性大分子，在进入人体细胞过程中面临各种物理屏障，例如来自细胞膜的静电排斥，也会面临一些生化屏障例如细胞外 RNase 降解。
由此可见，将 mRNA 有效地递送到细胞质中，是 mRNA 癌症疫苗实现良好效果的关键因素。
在为数不多可用的 mRNA 递送载体中，脂质纳米颗粒 (LNP，lipid nanoparticle) 是临床上最先进的递送载体。
脂质纳米颗粒通常由四种成分组成，包括用于静电复合 mRNA 的可电离脂质、用于支撑结构的辅助磷脂、用于调节膜流动性的胆固醇、以及用于提高胶体稳定性和延长循环时间聚乙二醇-脂质。
据介绍，脂质纳米颗粒可以保护 mRNA 免于降解，促进细胞内递送，并促进 mRNA 活物的内体逃逸。然而，脂质纳米颗粒已被发现会引发强烈的炎症反应，而这些反应主要来源于可电离脂质。
这些炎症反应会降低 mRNA 的翻译效率，引发免疫相关的不良反应，这可能部分地解释了基于脂质纳米颗粒的 SARS-CoV-2 mRNA 疫苗对人类的副作用。所以，应尽量减少这种副作用，以便提高炎症安全性。
然而，还需要一定水平的促炎反应和先天免疫激活，来唤起 T 细胞免疫以进行 mRNA 癌症疫苗保护。在不影响基于脂质纳米颗粒的 mRNA 癌症疫苗的 T 细胞免疫力的情况下，如何减少炎症反应仍然具有挑战性。
基于此，我们亟需开发一款可用于 mRNA 癌症疫苗递送的替代制剂。它至少应该具备以下两个特点：不仅可以抑制不需要的炎症反应，还可以让强大的 CD8+ T 细胞介导的细胞免疫反应来杀死肿瘤细胞。
合成可用于 mRNA 递送的一系列交替共聚物
为了解决上述问题，同时开发一款有效的低炎症 mRNA 癌症疫苗载体，新加坡国立大学杨潞龄医学院和工程学院教授陈小元实验室，合成了一系列具有用于 mRNA 递送的邻羟基叔胺（HTA，hydroxy tertiary amine）重复单元的交替共聚物“PHTA”。
它可以发挥三重作用，由于叔胺的存在可以缩合 mRNA，因此引入疏水性烷基链可以增强聚合物纳米颗粒（PNP，polymeric nanoparticle）的稳定性，并能引入聚乙二醇链段来延长循环时间。
课题组还对聚合物纳米颗粒的体内炎症性质、以及免疫学特征进行了表征，结果发现与具有高度炎症性质的脂质纳米颗粒不同的是，基于 PHTA 的聚合物纳米颗粒在体内显示出可以忽略不计的炎症副作用。
更重要的是，最佳聚合物 PHTA-C18 能在体内成功递送 mRNA 癌症疫苗能，并介导强大的 CD8+T 细胞介导的抗肿瘤细胞免疫。
这种基于 PHTA 的一体化聚合物纳米平台，为建立具有良好炎症安全性的 mRNA 癌症疫苗提供了一种潜在方法。
同时，也提供了如下研究思路：即 mRNA 疫苗载体设计过程中，除了加速提高递送效率的同时，也应考虑最小化副作用，以便进一步应用。
▲图 | 交替共聚物 PHTA 的合成表征和一体化聚合物疫苗的构建示意图（来源：Advanced Materials）
近日，相关论文以《用于细胞免疫介导的癌症治疗的无炎症副作用的集成聚合物 mRNA 疫苗》（An Integrated Polymeric mRNA Vaccine without Inflammation Side Effects for Cellular Immunity Mediated Cancer Therapy）为题发表在Advanced Materials上[1]。
▲图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）
PeiHuang 是第一作者，陈小元教授、上海交通大学化学化工学院周永丰教授、以及西安电子科技大学生命科学技术学院邓宏章教授担任共同通讯作者。
▲图 | 陈小元（来源：陈小元）
评审专家表示，本文合成了可用于 mRNA 递送的一系列交替共聚物，证明该聚合物载体可以在小鼠体内成功递送 mRNA 以及激活 T 细胞免疫反应。并指出，该研究在 mRNA 递送聚合物载体的研究领域中具有重要意义，工作全面细致，覆盖到了聚合物合成、配方表征、体内递送、毒性、药效等方面。
同时，非病毒聚合物载体有潜力替代现有的脂质体纳米颗粒载体，甚至优于现有脂质纳米颗粒，因此研发用于 mRNA 递送的聚合物纳米载体是十分重要的。
（来源：Advanced Materials）
将对最优候选载体进行临床转化
据介绍，在认识到 mRNA 药物的巨大潜力后，该团队在 mRNA 的体外转录制备、mRNA 递送、mRNA 的应用研究三个子方向上开始布局。
其中，针对 mRNA 递送的研究，包括了脂质体纳米颗粒和聚合物纳米等载体；针对 mRNA 的应用研究，则包括 mRNA 疫苗、蛋白质替代疗法、基因编辑等。
而本此工作是基于聚合物载体递送 mRNA 的一个项目。在策划课题时，其目标是研发出高效且低毒的单组分聚合物载体。
在调研几乎全部现有 mRNA 聚合物载体之后，研究团队一起理解和讨论 mRNA 载体的设计原则，最终确定下选题，并进行了可行性论证。
期间，基于对 mRNA 聚合物载体设计的理解，课题组还撰写了一篇综述论文，并在Matter期刊上发表。
接下来是确定研究方案，大致分为三部分：
第一部分，是聚合物载体的合成和表征，通过氨基开环氧一锅法合成聚合物载体，并通过核磁共振波谱、质谱、凝胶渗透色谱等方式，对聚合物结构和分子量进行表征。
第二部分，是聚合物载体的体外筛选。聚合物载体负载 mRNA 后，通过体外转染编码绿色荧光蛋白的 mRNA（GFP mRNA）验证转染效率，并筛选出最优载体进行体内验证。
第三部分，是聚合物载体的体内 mRNA 递送性能的验证。研究团队使用编码萤火虫荧光素酶 mRNA（Fluc mRNA）进行体内转染实验，验证聚合物载体的体内转染性能，并使用卵清蛋白 mRNA（ovalbumin mRNA）作为模型抗原，来验证聚合物载体递送 mRNA 疫苗的性能。
随后，进入预实验阶段。所谓预实验就是通过简单的体外 GFP mRNA 转染实验，来初步确定聚合物载体是否有转染性能。
如果有转染性能，则将进一步优化载体和测试性能；如果没有转染性能，则需分析原因，必要的话还得改变实验路线，并为下一次实验积累经验。
目前，课题组仍在优化聚合物载体的性能，在未来 18-24 个月内，将对最优候选载体将进行研究新药（Investigatibe New Drug）授权研究和临床转化。
陈小元表示：“我们希望通过不断地迭代优化，将单组分聚合物递送系统用于 mRNA 的高效递送，并进一步解决聚合物载体的生物降解性等问题，助推 mRNA 疫苗走向临床，惠及更多癌症患者。”
参考资料：
1. Huang, P., Jiang, L., Pan, H., Ding, L., Zhou, B., Zhao, M., Zou, J., Li B., Deng H., Zhou Y., Chen, X. (2022). Integrated Polymeric mRNA Vaccine without Inflammation Side‐Effects for Cellular Immunity Mediated Cancer Therapy.Advanced Materials, 2207471.
2. Huang, P., Deng, H., Zhou, Y., Chen, X. (2022). The roles of polymers in mRNA delivery.Matter, 5(6), 1670-1699.
