Новый подход позволяет создавать модифицированные мРНК для лечения широкого спектра заболеваний

Использование матричной РНК (мРНК) в вакцинах против COVID-19 продемонстрировало потенциал мРНК-терапии, которая обещает стать эффективным методом лечения для множества целей — от иммунотерапии рака до редактирования генов.

Исследователи из Broad Institute (MIT и Гарвард) и Массачусетского технологического института разработали подход для оптимизации мРНК-препаратов. Он позволяет создавать мРНК, которые производят больше белка или делают это дольше, чем нативная мРНК. Это открывает путь к применению мРНК-терапии в более низких дозах с меньшими побочными эффектами при различных состояниях.

Основываясь на предыдущих исследованиях по присоединению нескольких химических "хвостов" к мРНК, группа под руководством Сяо Вана систематически тестировала различные химические модификации мРНК и измеряла их влияние на трансляцию белка.

На основе этих экспериментов они разработали методологию — LEGO (ligation-enabled messenger RNA-oligonucleotide assembly). Она позволяет химически модифицировать структуру молекул мРНК и влиять на их взаимодействие с клеточным аппаратом трансляции, достигая желаемого терапевтического эффекта. Работа опубликована в Nature Biotechnology.

"Наша главная цель — создать методы лечения, использующие весь потенциал мРНК как информационной молекулы, способной доставить любой интересующий белок. Это очень универсальная технология", — говорит Хунью Чен, соавтор исследования.

Команда надеется создать всеобъемлющий протокол для оптимизации каждого компонента мРНК-препарата, добиваясь терапевтического контроля, ранее возможного только для традиционных низкомолекулярных лекарств.

Усиление производства белка

Вакцины против COVID-19 на основе мРНК должны производить лишь небольшое количество белка для запуска иммунного ответа. Однако при таких состояниях, как гемофилия или диабет, пациентам не хватает определенного белка, гормона или фермента, и им требуется заместительная терапия.

Нативные молекулы мРНК недолговечны и транслируются в белок лишь короткое время. Идеальная мРНК-терапия, в зависимости от цели, должна либо долго производить белок (снижая частоту введения), либо быстро создавать его большое количество.

Метод LEGO позволяет оптимизировать молекулы мРНК для трансляционной эффективности, изменяя их 5'- и 3'-концы ("кэпы" и "хвосты"). Модификация кэпа влияет на эффективность трансляции мРНК в белок, а модификация хвоста — на стабильность и деградацию мРНК.

Комбинируя модификации кэпов и хвостов (включая добавление нескольких разветвленных кэпов и хвостов), исследователи научились точно настраивать долговечность и трансляционную эффективность мРНК для конкретных терапевтических целей.

Результаты применения LEGO:

1. Гормонозаместительная терапия: мРНК, кодирующая гормон эритропоэтин (стимулирует производство эритроцитов), с двойным разветвленным кэпом и другими модификациями заставила клетки мышей производить в 8 раз больше белка, чем обычная мРНК.
2. Оптимизированная вакцина против COVID-19: аналогичные модификации мРНК вызвали у мышей 17-кратное увеличение производства антител через две недели по сравнению с обычной вакциной.
3. Работа с кольцевой РНК: кольцевая РНК более устойчива к деградации, но хуже транслируется. Добавив к ней разветвленный кэп, исследователи создали "QRNA". При кодировании флуоресцентного белка она давала до 60-кратного увеличения флуоресценции по сравнению с обычной кольцевой РНК.

Хотя QRNA пока дальше от терапевтического применения, чем линейная мРНК, её изучение позволило больше узнать о естественных механизмах трансляции в клетке.

"В большинстве применений, которые мы уже опробовали — в вакцинах или в заместительной терапии белками — мы можем достичь гораздо более высокого терапевтического эффекта с этими модификациями. Такое небольшое химическое изменение может внести удивительный вклад в стабильность и трансляционность мРНК", — отмечает соавтор Данлян Лю.

Результаты демонстрируют потенциал мРНК для создания высокоэффективных и целенаправленных методов лечения и предоставляют основу для конструирования мРНК, адаптированных под конкретные задачи.