мРНК, или информационная РНК, – это тип молекулы, переносящей генетическую информацию от ДНК к белковому механизму клетки. Доставляя мРНК в клетки, мы можем дать им указание производить любой белок, который нам нужен, например антитела, ферменты, гормоны или вакцины. Это открывает новый мир возможностей лечения различных заболеваний: от инфекционных до рака.
В этой статье мы познакомим вас с основами мРНК-терапии, в том числе с тем, как она работает, как производится, как доставляется и как применяется. Мы также поделимся некоторыми из последних достижений и проблем в этой захватывающей области биотехнологии.
Как работает мРНК-терапия?
МРНК-терапия работает путем введения синтетических молекул мРНК в клетки, где они транслируются в функциональные белки. В зависимости от типа и назначения белка мРНК-терапия может иметь разные эффекты. Например:
Вакцины мРНК могут вызвать иммунный ответ против конкретного патогена, например нового коронавируса, вызывающего COVID-19. Доставляя мРНК, кодирующую вирусный белок, такой как белок-шип, мы можем стимулировать выработку антител и Т-клеток, которые могут распознавать и уничтожать вирус.
Антитела мРНК могут обеспечить пассивный иммунитет против таких заболеваний, как бешенство или ВИЧ. Доставляя мРНК, кодирующую моноклональное антитело, мы можем обеспечить немедленную защиту от конкретного антигена, не полагаясь на собственную иммунную систему организма.
Замена белка мРНК может восстановить функцию отсутствующего или дефектного белка, такого как фактор VIII при гемофилии или дистрофин при мышечной дистрофии. Доставляя мРНК, кодирующую нормальную версию белка, мы можем исправить основную причину заболевания и улучшить симптомы.
Редактирование гена мРНК может изменить геном клетки, например, исправить мутацию или вставить новый ген. Доставляя мРНК, кодирующую программируемые нуклеазы, такие как CRISPR/Cas9, мы можем нацеливаться и редактировать определенные последовательности ДНК с высокой точностью и эффективностью.
Как создается мРНК?
мРНК создается с помощью процесса, называемого транскрипцией in vitro (IVT), в котором для синтеза молекул РНК используется матрица ДНК и фермент РНК-полимераза. Матрица ДНК содержит последовательность промотора и кодирующую последовательность желаемого белка. РНК-полимераза связывается с промотором и транскрибирует ДНК в РНК.
Чтобы гарантировать, что синтетическая мРНК функциональна и стабильна в клетках, во время или после IVT вносятся некоторые модификации. К ним относятся:
Кэпирование: добавление модифицированного нуклеотида к 5'-концу мРНК для защиты ее от деградации и повышения эффективности трансляции. Существуют разные типы кэпов, такие как Cap 0, Cap 1 и Cap 2, которые различаются уровнями метилирования.
Полиаденилирование: добавление цепочки адениновых нуклеотидов к 3'-концу мРНК для увеличения ее стабильности и периода полу-полужизни. Длина хвоста поли(А) может варьировать от 10 до 250 нуклеотидов.
Оптимизация: корректировка структурных компонентов мРНК, таких как 5'-нетранслируемая область (UTR), 3'-UTR и открытая рамка считывания (ORF), для улучшения уровня ее экспрессии и активности. Это может включать оптимизацию использования кодонов, введение функциональных пептидов или сигнальных последовательностей или добавление само-амплифицированных элементов.
Модификация: изменение химической структуры некоторых нуклеотидов мРНК для снижения ее иммуногенности и повышения стабильности. Это может включать замену уридина псевдоуридином или N1-метилпсевдуридином или добавление метильных групп в другие положения.
Как доставляется мРНК?
Доставка мРНК является одной из самых больших проблем в терапии мРНК, поскольку молекулы мРНК большие, отрицательно заряжены и склонны к деградации под действием ферментов в биологических жидкостях. Поэтому разрабатываются различные типы носителей для защиты и транспорта мРНК в клетки. К ним относятся:
Липидные наночастицы (ЛНЧ): сферические частицы, состоящие из липидов, которые образуют бислой вокруг молекул мРНК. ЛНЧ могут сливаться с клеточными мембранами и высвобождать мРНК в цитоплазму. ЛНЧ широко используются для доставки мРНК благодаря их высокой эффективности и биосовместимости. Некоторыми примерами ЛНЧ являются катионные твердые липидные наночастицы (SLN), ионизируемые липидные наночастицы (ILN) и иммуностимулирующие липидные наночастицы (ISLN).
Полимерные наночастицы (ПНП): сферические частицы, состоящие из полимеров, которые образуют структуру ядро-оболочка вокруг молекул мРНК. ПНП могут проникать в клетки путем эндоцитоза и выходить из лизосом за счет эффекта протонной губки или ферментативной деградации. PNP универсальны и настраиваемы для различных приложений. Некоторыми примерами PNP являются полиэтиленимин (PEI), поли(молочная-ко-гликолевая кислота) (PLGA) и хитозан.
Катионные наноэмульсии (КНЭ): капли масла-в-водных эмульсиях, которые содержат катионные липиды и поверхностно-активные вещества. CNE могут взаимодействовать с клеточными мембранами и доставлять мРНК в цитоплазму. CNE легко приготовить и масштабировать, и они могут повысить иммуногенность мРНК-вакцин. Некоторыми примерами CNE являются DOTAP/DOPE, DOTAP/холестерин и DOTAP/MCT.
Другие системы доставки мРНК: некоторые другие типы носителей, которые были изучены для доставки мРНК, включают протамин-конденсированную мРНК, экзосомы, внеклеточные везикулы (ВВ), мезопористый кремнезем и фосфат кальция (CaP).
Каковы применения мРНК-терапии?
МРНК-терапия потенциально способна лечить широкий спектр заболеваний: от инфекционных заболеваний до нарушений обмена веществ, от рака до сердечно-сосудистых заболеваний, от генетических заболеваний до регенеративной медицины. Некоторые из текущих и новых применений мРНК-терапии:
мРНК-вакцины: мРНК-вакцины могут вызывать устойчивый и специфический иммунный ответ против различных патогенов, таких как SARS-CoV-2, вирус гриппа, ВИЧ, респираторно-синцитиальный вирус (RSV), вирус простого герпеса (HSV), вирус ветряной оспы (VZV), цитомегаловирус человека (HCMV), вирус бешенства и вирус денге. мРНК-вакцины имеют ряд преимуществ перед традиционными вакцинами, такие как быстрая разработка, низкая стоимость, высокая безопасность и легкая масштабируемость.
Антитела к мРНК: антитела к мРНК могут обеспечивать пассивный иммунитет против различных заболеваний, таких как бешенство, ВИЧ, Эбола, Зика, сибирская язва и COVID-19. Антитела к мРНК имеют ряд преимуществ перед обычными антителами, такие как длительная экспрессия, низкая иммуногенность, высокая стабильность и простота введения.
Замена белка мРНК: замена белка мРНК может восстановить функцию отсутствующего или дефектного белка при различных заболеваниях, таких как гемофилия, мышечная дистрофия, муковисцидоз, фенилкетонурия, болезнь Фабри, болезнь Гоше и болезнь Паркинсона. Замещение белка мРНК имеет несколько преимуществ перед белковой терапией, например, отсутствие иммуногенности, повышение биодоступности и снижение дозировки и частоты.
Редактирование генов мРНК: редактирование генов мРНК может изменить геном клетки при различных заболеваниях, таких как серповидноклеточная анемия, бета-талассемия, болезнь Хантингтона, мышечная дистрофия Дюшенна и муковисцидоз. Редактирование генов мРНК имеет ряд преимуществ перед генной терапией, основанной на ДНК-, например, позволяет избежать интеграции в геном хозяина, снизить-нецелевые эффекты и повысить специфичность и эффективность.
Клеточная терапия мРНК: клеточная терапия мРНК может манипулировать функцией клетки при различных заболеваниях, таких как рак, аутоиммунные заболевания, диабет и сердечно-сосудистые заболевания. Клеточная терапия мРНК имеет несколько преимуществ по сравнению с традиционной клеточной терапией, например, отсутствие вирусных векторов, повышение безопасности и универсальности, а также облегчение производства и контроля качества.
Каковы проблемы и возможности мРНК-терапии?
мРНК-терапия — перспективная и развивающаяся область биотехнологии, которая показала большой потенциал в лечении различных заболеваний. Однако все еще существуют некоторые проблемы и ограничения, которые необходимо преодолеть, прежде чем его можно будет широко применять в клинической практике. К ним относятся:
-Повышение стабильности и эффективности доставки молекул мРНК in vivo
-Снижение иммуногенности и токсичности молекул и носителей мРНК
-Оптимизация уровня экспрессии и продолжительности экспрессии белков, кодируемых мРНК-
-Разработка стандартизированных протоколов и мер контроля качества производства мРНК
-Оценка долгосрочной-безопасности и эффективности терапии мРНК у людей
-Несмотря на эти проблемы, существует множество возможностей и преимуществ, которые делают мРНК-терапию привлекательным вариантом для медицины будущего. К ним относятся:
-Использование гибкости и разнообразия методов проектирования и синтеза мРНК
-Использование присущей молекулам мРНК иммуногенности и адъювантности
-Использование временной экспрессии и обратимости белков, кодируемых мРНК-
-Изучение синергетического эффекта сочетания мРНК-терапии с другими методами
-Ускорение процесса разработки и утверждения продуктов мРНК
Prisys Biotechnology, компания, специализирующаяся наисследования не-приматов (NHP)и услуги по доклинической разработке лекарств. мРНК-терапия — тип молекулы, которая может приказать клеткам производить любой белок, который мы хотим, например антитела, ферменты, гормоны или вакцины. Яванские макаки — вид NHP, который имеет много общего с людьми с точки зрения анатомии, физиологии, иммунологии и генетики. Биотехнология Prisys в исследованиях и разработках лекарств на основе мРНК, а также модели NHP:
Prisys Biotechnology имеет интегрированную платформу ресурсов NHP, моделей заболеваний и клинических больниц, позволяющую предоставлять решения для различных областей заболеваний, таких как иммунология, воспаление, сердечно-сосудистые заболевания, гематология, печень, почки, легкие и онкология.
Prisys Biotechnology предлагает варианты совместной разработки для научно-исследовательских работ и инновационные технологии, такие как трехмерная система количественной оценки поведения-на основе глубокого обучения в NHP.
Prisys Biotechnology использует макак-крабоедов в качестве животной модели для терапии мРНК, которая более надежна и актуальна, чем другие модели на животных, такие как мыши или крысы.
Prisys Biotechnology может проверить потенциал и осуществимость терапии мРНК при различных заболеваниях путем измерения электрического сопротивления, магнитных свойств, фармакокинетики, токсичности, иммуногенности и эффективности молекул мРНК и носителей в НЧЧ.
