mRNA疫苗递送策略的研究进展

摘要：信使核糖核酸疫苗（messenger RNA,mRNA,mRNA）mRNA疫苗具有研发周期短、免疫原性强及不整合入宿主基因组等生物学特性，已成为疫苗开发的重要技术平台。发展高效、安全的递送策略对于保护mRNA、促进其胞内递送、调控其生物分布并最终实现其治疗潜力具有至关重要的作用。当前，主流的mRNA疫苗递送策略涵盖物理方法、生物载体及化学纳米材料三大类。递送系统的创新是推动mRNA技术从概念走向广泛应用的核心驱动力。

关键词： mRNA疫苗；递送系统；脂质纳米颗粒；聚合物；靶向递送；免疫原性

mRNA疫苗通过递送编码抗原的mRNA至宿主细胞，利用细胞核糖体合成目标抗原，诱导特异性免疫应答。相较于传统疫苗，其具有研发周期短、工艺简便、无基因组整合风险及免疫原性强等优势，已在新型冠状病毒肺炎（coronavirus disease 2019,COVID-19）疫情防控中得到验证。然而，mRNA的高度不稳定性、负电荷导致的跨膜效率低下和内涵体逃逸困难等技术瓶颈，仍是制约其临床转化的核心挑战。开发高效靶向递送系统以提升治疗指数，为该领域亟待解决的关键科学问题。

mRNA疫苗递送系统需同时满足物理化学稳定性、克服生物学屏障及平衡药效与安全性三大核心要求。其主要分为“纳米颗粒载体”与“非载体化或生物细胞递送”两大类。前者通过精密设计实现mRNA保护、细胞摄取增强及靶向控释；后者旨在简化体系或利用天然生物相容性。mRNA疫苗递送体系的效能评价以翻译效率、免疫原性调控、生物分布靶向性及生物相容性为核心指标，其中精准靶向与可重复给药能力是拓展至慢性疾病治疗的关键。

1. 基于纳米颗粒的载体递送系统

脂质基纳米载体是目前临床转化最为成功的mRNA递送平台，其核心价值在于能够高效包封核酸、介导细胞摄取并促进内涵体逃逸[1]。

脂质纳米颗粒（lipid nanoparticles,LNP）是当前mRNA疫苗与治疗药物的主流递送系统，其功能实现依赖于四组分的协同作用。可离子化脂质作为LNP的核心功能单元，其pH响应特性决定了包封效率与内涵体逃逸能力：在生理pH环境下呈电中性，有利于降低毒性并延长循环时间；进入酸性内涵体后质子化带正电，通过破坏膜稳定性实现mRNA释放。当前研究致力于开发可生物降解的可离子化脂质，如在分子结构中引入酯键或缩醛键等化学敏感键，以期在完成递送功能后快速代谢，降低长期滞留风险并改善重复给药耐受性。磷脂作为双层骨架支撑颗粒结构并辅助内涵体逃逸；胆固醇通过调节膜流动性优化物理化学性质；聚乙二醇（polyethylene glycol,PEG）脂质则提供空间稳定以延长循环半衰期，但其对细胞摄取的抑制作用及潜在免疫原性仍需在分子设计与占比优化中予以权衡[2]。该领域的前沿方向集中于理性设计新一代可离子化脂质库、开发肝外靶向策略，以及提升制剂稳定性与规模化生产能力。

为突破现有体系的局限，脂质-聚合物杂化纳米粒与液晶纳米粒等新型载体正处于积极探索阶段。脂质-聚合物杂化体系以可生物降解聚合物为核心、脂质为外壳，兼具生物相容性与结构可控性，能够实现更精准的释放动力学调控；液晶纳米粒则利用两亲性脂质自组装形成的有序内部结构，通过多孔水性通道高效包载mRNA，并借助独特的膜扰动机制促进内涵体逃逸，其生物可降解性与特殊流变学性质为递送系统设计提供了新的可能性。

相比之下，聚合物基递送系统为mRNA递送提供了高度可设计的材料平台，通常表现出更优的物理化学稳定性和灵活的模块化结构。

可电离或阳离子聚合物通过骨架氨基质子化携带正电荷，经静电作用压缩mRNA形成纳米复合物。聚乙烯亚胺（Polyethylenimine,PEI）为最早研究的代表，其与mRNA形成无膜实心凝聚体，机制依赖于PEI质子化氨基与mRNA磷酸骨架的多点静电吸引，导致mRNA构象变化并被压缩成致密球状颗粒。PEI的高密度氨基赋予其强“质子海绵效应”，可高效促进内涵体逃逸，但高分子量PEI因难以降解且电荷密度过高，常伴随显著细胞毒性及非特异性免疫反应。当前优化策略集中于合成可降解低分子量衍生物或PEG化修饰，以在维持转染效率的同时降低毒性。

为进一步提升递送精准度，刺激响应型聚合物被设计为在特定细胞微环境信号触发下发生性质转变，实现程序化mRNA释放。pH响应型聚合物利用内涵体/溶酶体与细胞质的pH梯度，通过可质子化基团增强质子缓冲能力促进膜破坏，或借助酸敏感化学键在酸性条件下断链解离，从而同步提升内涵体逃逸效率并降低非靶释放风险。还原响应型聚合物则利用细胞内外谷胱甘肽浓度差，以二硫键为连接臂，在胞质高还原环境中断裂解离，快速释放mRNA以克服翻译抑制。此外，酶响应型及活性氧响应型聚合物亦处于探索阶段，旨在实现组织或疾病微环境特异性递送。此类智能型系统标志着聚合物载体从“被动递送”向“主动程序化释放”的重要演进。

除此之外，多肽与蛋白质基递送系统利用天然或工程化生物分子进行mRNA递送，具有良好生物相容性、可降解性及功能可编程优势。

细胞穿膜肽（cell penetrateing peptide,CPP）为少于30个氨基酸的短肽，能够高效穿越细胞膜。其在mRNA递送中主要通过两种机制发挥作用：一是与mRNA直接形成纳米复合物，二是作为功能域与脂质或聚合物等载体偶联以增强细胞摄取。经典CPP如HIV-1 Tat肽、穿透素的穿膜能力依赖于富含精氨酸残基的正电荷与膜组分相互作用。然而，CPP-mRNA复合物常面临内涵体滞留问题，当前优化策略集中于开发具有内涵体逃逸功能的两亲性或pH响应性CPP变体，或将其与内涵体裂解肽融合构建多功能载体。

天然阳离子多肽或蛋白质因其固有核酸结合能力而被用作mRNA递送载体。鱼精蛋白为典型代表，可通过静电作用与mRNA紧密结合形成核糖核蛋白样复合物，同时能够通过激活Toll样受体信号通路发挥佐剂效应。此外，组蛋白、溶菌酶等阳离子蛋白及仿生设计的多肽也正在被探索，旨在平衡核酸保护、胞内释放与免疫激活等多重功能。

2. 非载体化与生物细胞递送策略

在合成纳米载体之外，物理方法直接递送裸mRNA与工程化细胞活体递送平台构成mRNA疗法的两大补充策略，分别绕过载体设计瓶颈或利用细胞天然生物学功能，在特定场景中展现独特优势。

裸mRNA策略不经载体包封直接将mRNA导入靶组织，效能高度依赖外部物理能量克服细胞膜屏障。直接注射受限于核酸酶降解与细胞膜低通透性，物理增强技术成为关键。电穿孔通过瞬时高压电脉冲在细胞膜形成亲水性瞬态孔道，驱动mRNA电泳进入细胞质，是目前最成熟的技术，但伴随局部组织损伤、炎症及疼痛，临床耐受性需慎重评估。基因枪则通过高压气体将包裹mRNA的金属微粒轰击进入表皮或黏膜细胞，剂量精准、操作简便，适用于以朗格汉斯细胞为靶点的黏膜免疫，但递送深度有限。基于这些技术，多款裸mRNA疫苗已进入临床评估。

基于细胞的递送平台将活细胞转化为mRNA体内生产工厂，通过体外转染再回输患者，实现靶向、长效或局部化治疗。树突状细胞负载是目前最成熟且已获临床批准的策略，主要用于个性化癌症免疫治疗。标准流程包括从患者外周血分离细胞，体外诱导分化为未成熟树突状细胞，经电穿孔导入编码肿瘤相关抗原的mRNA，成熟刺激后回输体内。细胞迁移至引流淋巴结通过MHC途径高效提呈抗原，激活抗原特异性T细胞诱导抗肿瘤免疫。该方法可实现真正个体化治疗且体外过程可控，但制备工艺复杂、成本高昂，且回输后细胞体内存活时间与迁移效率存在个体差异。

除树突状细胞外，其他功能细胞也被开发为新型载体。例如，通过电穿孔将编码嵌合抗原受体的mRNA导入T细胞，可快速制备“瞬时CAR-T”细胞，避免病毒载体基因组整合风险，适用于需严格控制治疗窗口的场景。此外，具有病灶归巢能力的间充质干细胞负载表达治疗性蛋白的mRNA，成为靶向损伤或炎症部位的活体生物反应器，在组织再生和免疫调节治疗中潜力显著。

总之，非载体化与细胞递送策略拓展了mRNA技术应用边界。物理方法为局部高效递送提供直接方案，细胞平台则将mRNA灵活编码能力与细胞疗法固有的靶向和长效优势相结合，共同推动下一代精准生物医药发展。

3. 新兴趋势与精准递送策略

随着对mRNA生物学与纳米载体相互作用认知的深入，递送系统的研发正从普适性递送向器官特异性、细胞选择性、时序可控性的精准递送方向发展，以提升治疗指数并拓展mRNA疗法在复杂疾病中的应用边界。

实现肝外靶向是突破LNP技术瓶颈的核心挑战。被动靶向通过系统性改变LNP组成与物理化学性质，如调整可离子化脂质参数或PEG-脂质特性，改变蛋白质冠成分，进而调控其与血管内皮细胞的相互作用，已将LNP天然肝富集特性转向脾脏免疫细胞或肺部血管内皮细胞。主动靶向则在LNP表面连接特异性配体，通过受体-配体相互作用实现精准识别，但面临配体修饰干扰组装稳定性、诱发免疫原性及血清遮蔽等挑战，需优化配体选择、连接位点与密度。

新型mRNA分子构型对递送系统提出了适配性要求，两者需协同优化。自扩增mRNA因超长序列对包封效率与内涵体释放提出更高要求，载体需在保护长链RNA与抑制复制活性间取得平衡；环状RNA的拓扑结构改变了与阳离子载体的静电作用模式，需重新优化复合物形成条件。此外，碱基修饰与非翻译区工程化改造通过影响mRNA二级结构、电荷分布及翻译效率，间接调控其与载体的结合强度及释放动力学需求，未来递送系统设计需将mRNA序列与化学特征纳入考量，实现"序列-载体"协同优化[3]。自扩增mRNA通过工程化设计纳入RNA复制酶元件，进入细胞质后以自身为模板扩增，实现极低剂量下的持久高水平抗原表达，可显著降低生产成本并增强免疫应答强度与持久性。然而，其分子长度显著增加（通常>9kb），对体外转录产率、化学稳定性及递送系统的包载与释放能力构成更大挑战。目前其递送主要依赖特殊优化的脂质纳米颗粒，需在保护长链RNA、促进内涵体逃逸与避免干扰复制酶功能间取得平衡。

响应生物刺激的“智能”系统可实现蛋白表达时空精控。内部刺激响应利用病灶微环境信号，pH响应性载体在肿瘤酸性间质解离，酶响应性载体通过特定蛋白酶切割肽段实现病灶激活，还原响应性设计确保胞质快速释放。外部刺激响应依赖外源能量触发，光响应性载体在特定波长光照下触发释放，磁响应性载体通过交变磁场实现靶向聚集与释放。

这些精准递送策略旨在将mRNA疗法从普适性工具转变为精准医疗利器，其成功取决于材料科学、纳米技术、合成生物学与临床医学的深度交叉融合。

4. 结论

递送系统是决定mRNA疗法成败与边界的关键使能技术。从早期简单的阳离子脂质体到如今复杂的可靶向、可调控的智能纳米系统，其演进深刻反映了多学科交叉融合的驱动力。未来的突破必将进一步依赖于化学、材料科学、纳米技术、生物学、免疫学与临床医学的深度协作。通过持续攻克递送瓶颈，mRNA技术有望从一种强大的疫苗平台，拓展成为可编程的、适用于多种疾病的个性化精准医疗工具，最终实现其变革生物医药领域的宏大愿景[4-5]。

参考文献

[1] Hoshyar N, Gray S, Han H, Bao G. The effect of nanoparticle size on in vivo pharmacokinetics and cellular interaction. Nanomedicine (Lond). 2016 Mar;11(6):673-92. doi: 10.2217/nnm.16.5. Epub 2016 Mar 22. PMID: 27003448; PMCID: PMC5561790.

[2] Suk JS, Xu Q, Kim N, Hanes J, Ensign LM. PEGylation as a strategy for improving nanoparticle-based drug and gene delivery. Adv Drug Deliv Rev. 2016 Apr 1;99(Pt A):28-51. doi: 10.1016/j.addr.2015.09.012. Epub 2015 Oct 9. PMID: 26456916; PMCID: PMC4798869.

[3] Ramachandran S, Satapathy SR, Dutta T. Delivery Strategies for mRNA Vaccines. Pharmaceut Med. 2022 Feb;36(1):11-20. doi: 10.1007/s40290-021-00417-5. Epub 2022 Jan 30. PMID: 35094366; PMCID: PMC8801198.

[4]于晶,杨振军. mRNA疫苗在癌症免疫治疗中的应用[J]. 中国药科大学学报,2025,56(4):444-452.

[5]杜曼昕,杨国栋,赵晶. 肿瘤mRNA疫苗的设计与合成[J]. 中国生物化学与分子生物学报,2025,41(9):1235-1238.