综述：推进肺癌治疗：mRNA疗法与递送策略

《Nano Letters》：Advancing Lung Cancer Treatment: mRNA Therapeutics and Delivery Strategies

mRNA纳米医学通过优化递送系统（如离子化脂质、聚合物-脂质杂交体）和设计（如自我扩增RNA、循环RNA）克服肺屏障（粘液、巨噬细胞吞噬），实现靶向肺组织高效递送，并已在疫苗（如KRAS突变体疫苗）、免疫调节剂（IL-12）、抗体工厂和CRISPR编辑等疗法中取得突破性临床试验数据，但需解决肝毒性、规模化生产及个性化适配等问题。

　　肺癌是全球最致命的恶性肿瘤之一，长期以来对传统治疗方式表现出高度的抗性，这促使医学界不断探索新的治疗策略。近年来，信使核糖核酸（mRNA）纳米药物迅速从新冠疫苗研发扩展到肿瘤治疗领域，但如何实现高效的、靶向的肺部递送仍然是一个关键难题。本文综述了推动肺部靶向mRNA治疗的技术进展，探讨了mRNA在肺部的递送挑战，以及如何通过先进的设计策略和载体技术克服这些障碍。此外，还介绍了mRNA在肺癌治疗中的多种治疗负载，包括多表位疫苗、抗体工厂、肿瘤抑制因子恢复以及体内基因编辑，并分析了初步的人体试验数据。文章还讨论了当前存在的瓶颈问题，如脱靶编辑、细胞因子毒性以及生产速度，并提出了促进转化的指导原则。通过将序列级别的mRNA设计与精准的纳米载体相结合，mRNA技术有望为肺癌治疗带来新的希望。

尽管在控烟和早期筛查方面取得了持续进展，肺癌仍然是全球最致命的癌症类型之一。根据2022年全球癌症统计数据，全球约有248万例新发病例和182万例死亡病例，肺癌在发病率和死亡率方面均居首位。在美国，预计2025年将有约22.6万例新的肺癌病例被发现，其中约有12.5万例死亡，这一死亡人数超过了结直肠、乳腺和前列腺癌的死亡总和。目前，肺癌的临床预后仍然不佳，非小细胞肺癌（NSCLC）的生存率低于25%，而小细胞肺癌（SCLC）的生存率更是低于10%。这是因为转移进展和治疗耐药性在很大程度上抵消了先进靶向治疗的疗效。这些令人担忧的统计数据突显了开发超越传统化疗、激酶抑制剂和免疫检查点阻断的新治疗策略的迫切需求。

mRNA治疗药物作为一种新兴的治疗平台，为肺癌治疗带来了新的可能。新冠疫情中mRNA疫苗（如BNT162b2和mRNA-1273）的快速研发和临床应用表明，脂质纳米颗粒（LNP）封装的mRNA可以在大规模生产下保持安全性和有效性。基于数十年的核苷修饰、帽区和非翻译区（UTR）优化以及纳米载体工程的基础研究，目前已有超过120项临床试验正在评估mRNA为基础的癌症免疫治疗，涉及多种肿瘤类型。除了疫苗，合成mRNA还可以编码全长抗体、细胞因子、肿瘤抑制因子或基因编辑组件，实现“可编程”的药理学，具有短暂、非整合和可个性化的特点。

然而，mRNA治疗药物在肺部的递送仍然面临挑战，同时其在肺癌治疗中也展现出巨大的潜力。例如，肺部的黏液网、表面活性物质以及肺泡巨噬细胞构成了一个严峻的外部屏障，而肺部庞大的上皮表面和直接的吸入途径则为局部递送提供了无与伦比的机会。在离子可电离脂质、聚合物-脂质复合物、细胞外囊泡模拟物以及选择性器官靶向化学等领域的进展，正逐步解决这些矛盾，使得mRNA能够选择性地转染肺部免疫细胞和实质细胞，同时避免对肝脏和脾脏的非靶向作用。

在本综述中，我们强调了合理的mRNA设计如何与新一代纳米载体相结合，以克服肺部特有的生物屏障；展示了肺癌疫苗、细胞因子和基因编辑试验中的首次人体试验数据；并描绘了最有可能将基础研究转化为持久患者益处的转化节点。通过整合分子工程、肺部药物递送和临床肿瘤学的见解，我们旨在说明为何以及如何通过mRNA纳米医学重新定义肺癌治疗的前景。

在mRNA技术的快速发展过程中，肺癌治疗领域迎来了新的希望。从LNP疫苗到可吸入的细胞外囊泡制剂，这些技术进步重新激发了开发针对肺癌治疗的探索，从而实现持久的肿瘤控制或预防复发。然而，在任何治疗信息发挥作用之前，它必须穿越肺部复杂的屏障，这些屏障远比肝脏或肌肉中遇到的复杂。肺部的气道和肺泡对纳米颗粒施加了更严格的细胞、外部、药代动力学和解剖学限制。外部屏障包括黏液和黏液纤毛清除机制，将粒子推向咽喉部。此外，表面活性物质可能破坏带正电的载体，而吸烟或炎症产生的活性氧（ROS）可能分解核酸。分泌或系统性的核糖核酸酶（RNase）、补体介导的调理作用以及肺泡巨噬细胞进一步减少给药剂量。即使纳米颗粒到达I型或II型肺泡上皮细胞，也只有1%到2%的内部化mRNA能够逃逸内体，进入细胞质。

尽管在化学和结构优化方面取得了进展，单次LNP-mRNA剂量产生的蛋白输出仍然具有暂时性。因为细胞能够检测并清除外源性mRNA。细胞质中的RNA传感器（如RIG-I/MDA5）和内体中的Toll样受体（TLR）7/8识别未加帽的5′-三磷酸或双链结构，触发I型干扰素（IFN）反应，抑制mRNA翻译并激活RNase。裸露的单链mRNA在血浆中仅能维持几分钟，并且只能引导蛋白质合成几个小时，这不足以支持持续的细胞因子、抗体或CRISPR活动。即使是“隐形”的mRNA，通过修饰核苷（如N1-甲基假尿苷）和优化UTR，虽然能够部分减弱这种天然的感知，但无法完全消除。同时，宿主mRNA降解途径（如去腺苷化、去帽和5′至3′外切酶攻击）不可避免地降解线性mRNA，而环状RNA（circRNA）由于缺乏自由末端，能够抵抗外切酶，从而维持更长的表达时间。

为了克服这些障碍，成功的mRNA平台现在遵循一个集成的四步策略。第一步是转录的分子修饰，包括设计帽、长聚腺苷酸尾、稳定UTR和免疫沉默核苷，以调节先天免疫。第二步是结构创新，如自扩增RNA（saRNA）或转扩增RNA（taRNA）以及circRNA，以延长细胞质中的表达时间。第三步是纳米封装，使用脂质、聚合物或囊泡模拟物保护负载，促进内体逃逸，并实现肺部靶向的表面工程。第四步是给药途径的选择，如吸入、鼻内、皮下、肿瘤内或静脉注射，结合肺部靶向化学，以利用而非对抗呼吸生理。这些改进使得mRNA在肺部的翻译效率显著提高，将mRNA从学术研究转变为肺癌治疗的现实方案。

然而，尽管有这些进展，mRNA LNP平台仍然存在一些安全问题。补体激活相关的伪过敏反应可能引发急性输注反应，包括潮红、呼吸困难，甚至过敏性休克。在重复给药过程中，抗PEG IgG/IgM的产生可能加速PEG化颗粒的血清清除，并增加超敏反应的风险。此外，肌肉或静脉注射mRNA LNP通常会导致肝脏的高积累，这不仅会降低递送效率，还可能带来肝毒性风险。许多离子可电离LNP的明显肝趋向性被认为与载脂蛋白吸附（如ApoE）和随后的肝细胞和库普弗细胞通过低密度脂蛋白受体（LDLR）和吞噬途径的摄入有关。配方变量，包括离子可电离脂质的pKa和头基化学、辅助脂质身份（如胆固醇类似物、DSPC/DOPE平衡）、PEG-脂质的mol%和链长、颗粒大小和表面电荷，共同调节这一过程，并影响内体逃逸和递送mRNA的翻译效率。伴随的肝毒性风险可能反映为先天免疫激活（模式识别受体信号、补体激活）、脂质代谢物应激和高局部剂量暴露。使用可生物降解的离子可电离脂质和优化的PEG含量可以缓解但无法完全消除这些风险。

为了将暴露引导到肺部，几种非排他性策略正在被探索。首先，合理调节LNP的结构和组成可以减少ApoE介导的肝脏摄取，并偏向于肺部微血管或气道上皮的沉积。其次，将酰胺和尿素连接引入离子可电离脂质骨架中，可以改变氢键网络、刚性和降解性，从而提高肺部趋向性，同时保持内体释放。此外，选择性器官靶向（SORT）化学和合理离子可电离脂质设计可以将LNP从肝细胞引导到肺部上皮和内皮细胞，并提高靶向转染/编辑在肺部的效率。通过这些改进，未来的肺癌治疗可能会更加高效和安全。

延长给药可能会导致脂质在肝细胞中的积累，这已被与暂时性肝酶升高以及在某些模型中与脂肪变性相关。此外，吸入制剂可能引发支气管痉挛和表面活性物质破坏，特别是那些含有高阳离子脂质的制剂。为了应对这些挑战，研究人员正在积极研究下一代可生物降解的离子可电离脂质，这些脂质可分解为水溶性代谢物，可降解的隐形涂层可在酸性内体中脱落，以及刺激响应性聚合物可在缺氧肿瘤微环境中分解。此外，最近的一项研究表明，将PEG替换为高密度刷状聚合物脂质可显著减少抗PEG抗体结合，并保持蛋白质表达，从而提供一种mRNA编码的延长蛋白质半衰期的替代方案。

尽管有这些进展，mRNA LNP平台仍然存在一些安全问题。补体激活相关的伪过敏反应可能引发急性输注反应，包括潮红、呼吸困难，甚至过敏性休克。在重复给药过程中，抗PEG IgG/IgM的产生可能加速PEG化颗粒的血清清除，并增加超敏反应的风险。此外，肌肉或静脉注射mRNA LNP通常会导致肝脏的高积累，这不仅会降低递送效率，还可能带来肝毒性风险。许多离子可电离LNP的明显肝趋向性被认为与载脂蛋白吸附（如ApoE）和随后的肝细胞和库普弗细胞通过低密度脂蛋白受体（LDLR）和吞噬途径的摄入有关。配方变量，包括离子可电离脂质的pKa和头基化学、辅助脂质身份（如胆固醇类似物、DSPC/DOPE平衡）、PEG-脂质的mol%和链长、颗粒大小和表面电荷，共同调节这一过程，并影响内体逃逸和递送mRNA的翻译效率。伴随的肝毒性风险可能反映为先天免疫激活（模式识别受体信号、补体激活）、脂质代谢物应激和高局部剂量暴露。使用可生物降解的离子可电离脂质和优化的PEG含量可以缓解但无法完全消除这些风险。

为了将暴露引导到肺部，几种非排他性策略正在被探索。首先，合理调节LNP的结构和组成可以减少ApoE介导的肝脏摄取，并偏向于肺部微血管或气道上皮的沉积。其次，将酰胺和尿素连接引入离子可电离脂质骨架中，可以改变氢键网络、刚性和降解性，从而提高肺部趋向性，同时保持内体释放。此外，选择性器官靶向（SORT）化学和合理离子可电离脂质设计可以将LNP从肝细胞引导到肺部上皮和内皮细胞，并提高靶向转染/编辑在肺部的效率。通过这些改进，未来的肺癌治疗可能会更加高效和安全。

在当前的临床研究中，一些策略展现出更清晰的前景，它们共享一个共同的逻辑：通过吸入、鼻内、皮下、肿瘤内或静脉注射等方法，保持粒子完整性，提高肺部细胞中的有效剂量，并减少全身暴露。这些进展使得mRNA在肺部的翻译效率显著提高，将mRNA从学术研究转变为肺癌治疗的现实方案。这些改善反映了在气溶胶流中改善的粒子稳定性、减少黏附性以及在酸化内体中促进的内体逃逸。在肺部治疗中，使用这些优化策略可以提高mRNA的疗效和安全性。

mRNA的治疗负载包括多种类型，如抗原编码疫苗、免疫调节细胞因子、共刺激配体、抗体、T细胞衔接剂和肿瘤抑制因子。这些负载旨在标记肿瘤细胞以供免疫攻击、重新编程肿瘤微环境或纠正有害的癌症相关通路。例如，系统性递送的mRNA疫苗可以针对肿瘤相关或特异性抗原，从而激发针对这些抗原的免疫反应。此外，mRNA还可以用于表达抗体或T细胞衔接剂，这些分子能够将宿主细胞转化为分泌治疗抗体或增强T细胞活性的工厂。通过这些方式，mRNA能够提供一种新的治疗策略，为肺癌患者带来新的希望。

当前，肺癌治疗中mRNA的治疗负载覆盖了广泛的领域，但它们都旨在递送能够标记肿瘤细胞以供免疫攻击、重新编程肿瘤微环境或纠正有害癌症相关通路的蛋白质。例如，一些mRNA疫苗已经进入临床试验，展示了其在肺癌治疗中的潜力。这些疫苗包括针对肿瘤相关抗原（如NY-ESO-1、MAGE、CEA、MUC1）的疫苗，以及针对患者特异性新抗原的疫苗。通过这些方式，mRNA能够提供一种个性化的治疗方案，为肺癌患者带来新的希望。

尽管在这些方面取得了进展，mRNA治疗药物在肺部的应用仍然面临挑战。首先，肿瘤微环境的异质性允许抗原阴性克隆逃避免疫压力，因此需要多价或完全个性化的抗原组合。其次，最有效的细胞因子（如IL-12、IL-15、4-1BBL）可能引发全身炎症毒性，因此需要通过肺部靶向LNP或吸入的细胞外囊泡实现局部递送。此外，探索细胞因子mRNA候选物以平衡治疗效力和全身毒性也是重要的。最近的一项研究表明，IL-10-mRNA纳米颗粒能够在多种肿瘤模型中诱导强大的免疫监视，同时减少全身毒性，这表明该策略可能适用于肺癌治疗。

为了克服这些挑战，研究人员正在探索多种解决方案。例如，高通量酶促RNA合成和连续流微流控LNP组装已经将研发时间缩短到几天，这为即时疫苗或负载制造提供了可能。此外，人工智能（AI）模型通过大规模并行报告数据连接序列设计、载体发现和工艺控制，能够提出提高翻译输出、减弱先天感知并兼容GMP流程的帽、UTR和编码配置。这些提议随后与已知的化学修饰mRNA和circRNA的结构设计规则相协调。个性化则基于个体化疫苗的经验，其中多组学肿瘤分析和HLA呈递预测指导NSCLC中的新抗原选择，并将负载选择与观察到的免疫反应相匹配。

在递送方面，通过体内条形码库的池化筛选可以生成直接在肺部组织中进行的结构与趋向性映射。这些映射的主动学习优先选择离子可电离脂质骨架和组装“配方”，这些配方结合了气溶胶稳定性、肺部选择性和高效的内体逃逸。在工艺层面，微流控LNP组装和吸入粉末制备的替代模型可以预测从可控参数中获得的尺寸、PDI、封装、效力和气动性能，从而实现闭环调整、更快的QC释放和可靠的扩展到医院药房。基因编辑器的设计也在遵循同样的轨迹：引导选择和肺部SORT配方越来越多地由递送感知模型和肺部on/off-target数据集提供信息，以实现编辑效率与安全性的平衡。

通过这些AI驱动的循环，设计到批次的时间线被压缩，批次质量得到稳定，这正是个性化肺癌治疗所需的。此外，为了克服持续性限制，当前进展可能沿着以下增强轴线汇聚。首先，新的mRNA架构，如saRNA、taRNA和circRNA，正在延长翻译窗口，同时降低剂量要求。此外，合理的mRNA序列设计（例如编码带有EKP序列的“两性离子”肽尾）可以保护翻译的治疗蛋白免受免疫清除，延长其循环半衰期，从而减少所需的剂量频率。其次，条形码脂质库、SORT化学和体内池化筛选正在产生具有肺部特异性的载体。同时，吸入纳米颗粒系统正在被设计以最大化安全的肺部沉积并减少全身暴露，进一步增强肺部特异性。第三，组合疗法将mRNA疫苗与检查点阻断、肿瘤抑制因子与mTOR抑制或体内CAR编程与溶瘤病毒相结合，可能产生单个疗法无法实现的协同效应。最后，分布式点对点mRNA合成最终可能赋予医院药房将肿瘤的测序资料转化为快速制备的多新抗原疫苗的能力，重新定义个性化癌症免疫治疗的速度。

希望mRNA治疗药物能够在未来的几十年内从挽救性实验转变为一线标准，从而重塑肺癌治疗。实现这一潜力将依赖于mRNA化学家、纳米材料工程师、系统免疫学家和临床肿瘤学家之间的合作，而实现持久、延长寿命的临床结果仍然具有挑战性，但越来越可行。