近年来，mRNA药物和疫苗以其革命性的潜力，快速响应和个性化治疗的特点，在医疗健康领域引起了广泛关注。然而，伴随这一技术的迅速发展，其安全性问题，尤其是毒性风险，成为了研究的重点。本篇文章综合了近期在《Nature Reviews Drug Discovery》上发表的两篇综述性文章，阐述了mRNA药物设计的复杂性、创新策略以及降低毒性风险的方法，旨在为未来mRNA药物和疫苗的研发提供有价值的见解。

一 mRNA药物设计的复杂性

mRNA药物设计涉及多个层面的考量，包括核苷酸序列的选择、结构的设计、化学修饰的应用等。这些因素共同影响着mRNA的稳定性、翻译效率以及最终的治疗蛋白产出。设计者需要在众多可能的编码序列中选择最优的密码子，以提高翻译效率，并通过结构设计调控mRNA的功能和稳定性。

图1. mRNA药物基础

图1描述了 mRNA 药物从设计到生产的整个工作流程，以及 RNA 药物的五个关键要素。

mRNA 药物从设计到生产的工作流程：

加入RNA 药物的五个关键要素包括：

1 5' 帽：含有通过 5'-5' 三磷酸桥连接到 mRNA 其余部分的 7-甲基鸟苷。

2 蛋白编码区：由 5' 和 3' 非翻译区 (UTR) 包围的中心区域。

3 3' poly(A) 尾：有助于翻译启动和 mRNA 在细胞内的稳定性。

4 5' 帽和 poly(A) 尾的添加：可以通过共转录或后转录的方式添加。

5 修饰核苷酸的整合：在转录反应中通过全局替代一个或多个未修饰的 NTPs（例如 UTP）与修饰版本（例如 ΨTP 或 m1ΨTP）来实现。

二 降低mRNA药物和疫苗毒性风险的策略

1 mRNA的化学修饰与优化包括：通过化学修饰，如引入假尿苷（Ψ），降低mRNA的免疫原性，提高其在体内的稳定性和表达效率。这一策略有助于减少不良反应，提高药物的安全性。

图2. RNA结构基础：代表性的RNA二级结构元素。G（绿色）、C（黄色）、U（蓝色）、A（红色）。

图3. 修饰核苷酸影响二级结构

a. SHAPE导向的最小自由能（MFE）预测，用于hEpo mRNA序列，左侧为未修饰的尿苷，右侧为修饰的尿苷m1Ψ。b. m6A修饰（绿色圆圈）降低了MALAT1 RNA中HNRNPC（灰色）结合位点的热力学开启成本。

2 LNP结构的优化：LNP作为mRNA药物和疫苗的重要递送载体，其物理化学特性对递送效率和生物分布具有重要影响。通过优化LNP的大小、表面电荷和组成，可以提高其递送效率，降低毒性风险。

图4.细胞因子释放作为LNP 制剂修饰的 IVT mRNA的响应

图4展示了LNP-mRNA如何触发Toll样受体4（TLR4），并导致促炎细胞因子的释放。

图5. LNP-mRNA 激活炎症小体

图5 解析了LNP-mRNA激活炎症体的机制，这对于设计能够避免过度免疫激活的mRNA药物至关重要。

3 给药途径的创新：不同的给药途径对mRNA药物和疫苗的毒性有不同的影响。探索新型的给药途径，如肌肉内、皮内、皮下和静脉注射等，并评估它们对药物分布、免疫反应和毒性的影响，有助于找到更安全的给药方式。

三 mRNA药物设计的未来方向

随着技术的不断进步，机器学习等先进方法在mRNA药物设计中的应用日益广泛。这些方法有助于更精确地预测和生成模型，提高药物设计的效率和准确性。此外，对不同细胞类型进行特定设计也是未来的重要研究方向，有望实现更精准的个性化治疗。

有以下关键点：

1 稳定性设计：提高稳定性的一个策略是设计具有高度结构化区域的mRNA分子。通常，这些结构化的RNA在溶液中的稳定性较好。通过某些核苷酸的修饰，例如将尿苷替换为伪尿苷（Ψ）或1-甲基伪尿苷（m1Ψ），可以通过减少断裂并稳定RNA结构来增强稳定性。

2 药物产品的稳定性：mRNA治疗药物的稳定性是一个重大问题，尤其是在预防性疫苗中。这种稳定性可能会受到链断裂和核苷酸加合物形成等因素的影响。这些降解途径会受温度、pH值以及分子环境的影响。为了延长mRNA产品的保质期，通常需要在供应链中保持低温，这就需要一个昂贵且复杂的冷链基础设施。这是为了减缓降解过程，保持mRNA的有效性。

结论与展望

mRNA药物通过传递遗传信息指导人体内的治疗蛋白生产，为疾病治疗带来了全新的可能。特别是在COVID-19疫情中，mRNA疫苗的快速研发和应用凸显了其巨大潜力。然而，随着技术的广泛应用，如何确保mRNA药物和疫苗的安全性，降低毒性风险，成为了迫切需要解决的问题。

mRNA药物和疫苗技术为医疗健康领域带来了新的机遇和挑战。在推动这一技术快速发展的同时，我们必须高度重视其安全性问题，特别是毒性风险。通过综合应用化学修饰、LNP结构优化和给药途径创新等策略，我们有望进一步提高mRNA药物和疫苗的安全性和有效性，为未来的临床应用奠定坚实基础。展望未来，随着技术的不断革新和研究的深入进行，mRNA药物设计将继续在个性化医疗和精准医疗领域发挥重要作用，为更多患者带来希望与福音。

参考文献：

Metkar M, Pepin C S, Moore M J. Tailor made: the art of therapeutic mRNA design[J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2024, 23(1): 67-83.

Bitounis D, Jacquinet E, Rogers M A, et al. Strategies to reduce the risks of mRNA drug and vaccine toxicity[J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2024, 23(4): 281-300.