mRNA文献解读丨mRNA介导的仿生纳米药物可为脑部疾病治疗提供新思路

2023年3月，河南大学-澳大利亚麦考瑞大学生物医学联合创新中心（JCBI）的师冰洋教授团队在Nano Today上发表了题为“Non-invasive PTEN mRNA brain delivery effectively mitigates growth of orthotopic glioblastoma"的文章，开发了一种新型mRNA纳米药物ABNPs@mRNA，提高了BBB通透性和肿瘤细胞靶向能力，在小鼠胶质母细胞瘤（GBM）模型中成功递送PTEN mRNA，抑制了GBM的生长。

背景

mRNA的不稳定性、无法通过血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）和缺乏肿瘤靶向性，阻碍了mRNA在脑疾病治疗中的进一步应用。因此，亟需开发可以克服这些障碍的新的纳米药物，使mRNA脑部递送疗法用于脑疾病治疗成为可能。PTEN基因是一类肿瘤抑制基因编码一种可直接拮抗PI3K-AKT通路的脂质磷酸酶。研究发现，该基因在20%-40%的GBM中存在变异或失活的情况。因此，作者试图采用红细胞膜的仿生纳米颗粒平台选择性地将PTEN mRNA穿过BBB输送到大脑中以靶向GBM。

纳米药物的设计

为了应对上述挑战，研究人员设计了一种新的mRNA纳米药物（ABNPs@mRNA）：

（1）ApoE多肽的修饰能够大大提高药物在脑肿瘤病灶部位的积累；
（2）基于细胞膜的仿生策略能够有效的实现免疫逃逸；
（3）肿瘤微环境响应的特性能够促进mRNA在肿瘤部位的高效释放。
使用阳离子聚乙烯亚胺（PEI）以N/P比为10紧密缩合mRNA以获得PEI-mRNA复合物，然后用电荷转换的柠康酸酐接枝的聚-L-赖氨酸（PLL-CA）包被以获得NPs@mRNA。再用载脂蛋白E（ApoE）肽修饰的红细胞膜（AB）囊泡融合获得ABNPs@mRNA仿生纳米粒子。

图1 ABNPs@mRNA的合成

ABNPs@mRNA的治疗效果

作者对携带PTEN突变U87MG-Luc原位异种移植物的小鼠每2天尾静脉注射一次ABNPs@PTEN mRNA，总共五次，评估其体内抗肿瘤功效（图2a)。接受 ABNPs@EGFP mRNA或PBS的小鼠显示出快速的肿瘤生长，而用ABNPs@PTEN mRNA 治疗显著抑制了肿瘤生长（图2b）。第20天切除的全脑切片的苏木精-伊红（H&E）染色显示，ABNPs@PTEN mRNA处理的小鼠的肿瘤大小明显小于ABNPs@EGFP mRNA、BNPs@PTEN mRNA或PBS组（图2c）。生物发光强度的量化进一步证实了 ABNPs@PTEN mRNA有效抑制GBM肿瘤（图2d）。重要的是，在用ABNPs@PTEN mRNA 或BNPs@PTEN mRNA处理期间，小鼠的体重没有显著变化，然而接受ABNPs@EGFP mRNA或PBS的对照组都经历了快速体重减轻现象（图2e）。Kaplan-Meier生存曲线显示，用ABNPs@PTEN mRNA治疗显著增加中位生存期至49天，显著长于ABNPs@EGFP mRNA（25天）、BNPs@PTEN mRNA（31天）或PBS（23天）（图2f）。

图2 在U87MG原位GBM异种移植物中通过ABNPs@mRNA NPs递送PTEN mRNA

之后开发了稳定的表达荧光素酶的患者来源的CSC2细胞，以建立基于生物发光的简便原位GSCs PDX小鼠模型，以研究PTEN mRNA NPs的治疗效果（图3c）。与U87MG小鼠模型类似，ABNPs@PTEN mRNA处理显著抑制了肿瘤生长（图3d，3e）。从携带CSC2-Luc肿瘤的小鼠中切除的大脑的H&E染色证实了肿瘤生长的抑制（图 4f）。重要的是，用ABNPs@PTEN mRNA处理的小鼠显示中位生存时间延长为40天，明显长于接受ABNPs@EGFP mRNA（25.5天）、BNPs@PTEN mRNA（29天）或 PBS（23天)（图3g）。Western blotting结果显示ABNPs@PTEN mRNA引起PTEN蛋白上调（图3h）。TUNEL图像进一步显示ABNPs@PTEN mRNA纳米颗粒在GSCs肿瘤组织中诱导显著的细胞凋亡（图3i）。此外，与对照组相比，ABNPs@PTEN mRNA组切除的肿瘤组织切片中Ki67细胞增殖标志物表达较低，CC3凋亡标志物表达较高（图3j，3k）。

图3 在原位GBM干细胞异种移植物中通过ABNPs@mRNA NPs递送PTEN mRNA

综上所述，该仿生纳米药物在U87MG及CSC2胶质瘤干细胞原位荷瘤小鼠模型中均具有良好的治疗效果，能显著抑制肿瘤增长并延长小鼠生存时间，且无明显毒副作用。因此该仿生纳米药物为胶质瘤的基因治疗提供了新的思路。

Liu Y, Zhang D, An Y, et al. Non-invasive PTEN mRNA brain delivery effectively mitigates growth of orthotopic glioblastoma[J]. Nano Today, 2023, 49: 101790.

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