Nature Communications: 新型纳米载体递送Smad4 mRNA或可抑制大肠癌进展

导读

信使核糖核酸在各种疾病的治疗中显示出很高的应用价值，但其有效的传递仍然是目前面临的一大挑战。在这里，我们提出了一个灯笼形状的柔性RNA折纸用于信使核糖核酸的传递。该折纸由一个靶mRNA支架和两个定制的RGD修饰的环形RNA钉组成，可以将mRNA压缩到纳米级，并促进细胞对其的内吞。同时，灯笼形折纸的灵活结构允许大范围的mRNA暴露和翻译，在内吞作用和翻译效率之间表现出良好的平衡。在肿瘤抑制基因Smad4的背景下，灯笼状柔性RNA折纸在结直肠癌模型中的应用展示了在体外和体内环境中精确操纵蛋白质水平的前景。这种灵活的折纸策略为m R N A-治疗提供了一种具有竞争力的方法。

论文ID

题目：Lantern-shaped flexible RNA origami for Smad4 mRNA delivery and growth suppression of colorectal cancer

译名：灯笼状柔性RNA折纸转导Smad4基因对结直肠癌生长的抑制作用

期刊：Nature Communications                                      

IF：17.694

发表时间：2023.3.10

通讯作者单位: 同济大学

DOI号：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37020-y

主要内容

结直肠癌(CRC)是全球癌症相关死亡率的主要因素之一，其特征是正常结肠上皮的遗传和表观遗传学特征逐渐改变。母亲抑制子Smad4基因突变被广泛认为与结直肠癌的发生发展有关，恢复其表达可抑制结直肠癌细胞的增殖和转移。一般来说，对蛋白质表达的调控是遗传病治疗的常用方法之一。然而，由于蛋白质8的特性，直接运送蛋白质是很难实现的。近年来，作为蛋白质类药物的替代品，信使核糖核酸在肿瘤治疗中受到了广泛的关注。作为蛋白质合成的直接模板，mRNA可以在不进入细胞核的情况下转化为蛋白质，避免了宿主细胞的基因污染风险。此外，几乎可以在体外设计和合成任何蛋白质的信使核糖核酸，这使得基于信使核糖核酸的治疗成为各种疾病的一种有前景的治疗策略。然而，一些局限性，如信使核糖核酸的不稳定和难以被细胞摄取，限制了它的治疗应用13。为了克服这些障碍，人们已经采取了将靶基因包裹到纳米粒子中的方法，包括将基因与阳离子聚合物、多肽或脂类络合。然而，这些载体在化学成分诱导下产生的免疫应答和细胞毒性仍然是不可避免的。因此，探索低毒高效的信使核糖核酸递送系统迫在眉睫。

抑癌基因的缺失和突变是导致肿瘤进展和临床对多种治疗方法耐药的主要原因。由肿瘤抑制基因缺失或突变引起的表型逆转已被证明是一个难以实现的目标。在实体肿瘤的治疗方面，基于信使核糖核酸的疗法虽然也显示出巨大的前景，但由于其疗效不佳而遇到了一些阻力。困难主要来自两个方面。其一是Cargo基因的筛选。文献表明，Smad4是结直肠癌中的一种肿瘤抑制基因，有可能作为治疗的候选基因3-7。最近，刘心伟也证明了Smad4可以通过促进CD8+T细胞介导的细胞毒免疫来增强T细胞功能。因此，我们在这方面进行了积极的探索，选择了以前从未尝试过的Smad4信使核糖核酸。我们发现，在Smad4 mRNA传递后，下游癌基因可以被有效的转录调控，并且在体内和体外都能明显抑制结直肠癌的生长。

Smad4信使核糖核酸纳米灯笼示意图

针对信使核糖核酸在体外稳定性不高的问题，开发了信使核糖核酸细胞内递送载体。而载体的使用可能会带来新的问题，如免疫原性和毒性。因此，无载体递送策略在信使核糖核酸药物的开发中受到关注。例如，Naoto Yoshinaga提出了通过将mRNA链与RNA寡核苷酸连接物捆绑在一起来传递mRNA的概念。这种mRNA纳米结构增强了其对核糖核酸酶的抗性，无需使用额外的载体即可在体内表达目的蛋白。在本研究中，我们探索了基于RNA折纸技术的信使核糖核酸传递的可能性。DNA或RNA折纸作为一种高度可编程的自组装纳米技术，使得构建可伸缩的核酸纳米结构成为可能，这种纳米结构具有高稳定性的特点，适用于包括药物输送在内的广泛应用。然而，由于传统折纸的完全双链和刚性纳米结构不能去杂交回到自由单链状态，它似乎不适合于mRNA的传递。在这里，我们提出了一种柔性折纸的概念，它既融合了传统折纸的刚性结构，又保留了大量柔性的未装订部件。前者实现了纳米化，而后者实现了单链的功能。在确保纳米化的前提下，尽可能少的订书针可能是关键。在这里，根据信使核糖核酸的特点，我们只用两个圆形的RNA作为订书针来实现信使信使折纸，即灯笼状的柔性折纸，这可能是目前使用最少的信使。我们的结果表明，订书钉辅助的mRNA折纸纳米化促进了细胞的内吞作用，而相对灵活的结构允许mRNA仍然被识别和翻译。我们还证明，在不使用外源化学物质的情况下，mRNA纳米灯具具有更好的生物相容性，更低的毒性，以及类似水平的mRNA递送能力。与现有的递送载体相比，我们的方案实现了单个信使核糖核酸分子的纳米化，这有助于对信使核糖核酸分子的结构和功能进行修饰、控制和扩展，如对具有功能结构域的信使核糖核酸分子进行定向修饰、以单分子精确度定量递送信使核糖核酸等。

Smad4信使核糖核酸纳米灯笼的构建与鉴定

总结

虽然初步探索的信使核糖核酸纳米灯表现出可接受的性能，但该方案仍有很大的改进空间。这一策略对信使核糖核酸稳定性的改善仍然有限。此外，结合部位也受到严格限制，这与转染率和翻译活性密切相关。未来的关注可能集中在探索使用不同的柔性折纸结构来传递不同的mRNA，甚至开发计算机辅助设计和人工智能模拟柔性折纸的结构和功能。此后，这一策略可能被开发为基于信使核糖核酸的治疗的替代传递策略。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41467-023-37020-y

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