上海交大谭蔚泓院士、杨宇等综述：mRNA疗法的全景图谱与未来挑战

The mRNA-based innovative strategy: progress and challenges

Huayuan Zhou#, Dali Wei#, Zhejie Chen, Hao Chen, Chuhuang Dong, Wei Yao, Jiawen Wang, Xueliang Liu*, Yuqing Li*, Yu Yang*, Weihong Tan

Nano-Micro Letters (2026)18: 118

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01906-x

本文亮点

1. 对信使核糖核酸（mRNA）的结构优化及递送系统进行了全面总结。

2. 详细介绍了目前mRNA的各种应用。

3. 围绕基于mRNA的疗法所面临的挑战与未来前景展开了批判性的分析与探讨。

研究背景

作为蛋白质表达的核心模板，信使核糖核酸(mRNA)在应对COVID-19疫情中凭借制造周期短、保护效力优及无基因组整合风险等优势，展现了卓越的临床潜力 。目前，mRNA技术已从传染病疫苗迅速拓展至癌症疫苗、蛋白替代治疗、细胞治疗及基因编辑等多个前沿领域，成为现代生物医学的重要补充。

内容简介

近日，上海交通大学医学院分子医学研究院杨宇研究员团队系统梳理了mRNA疗法的创新突破，构建了“结构优化奠定基础、递送系统突破壁垒、多元应用验证价值”的协同发展框架。

图1. mRNA结构优化、递送策略及临床/临床前应用的示意图。

图文导读

I mRNA结构优化

作为核酸类药物，高效表达目标蛋白是 mRNA 发挥疾病干预作用的核心前提。然而，mRNA 为单链结构，导致其药物形式天然稳定性差；同时自身具有免疫原性，易被机体免疫系统识别并清除，因此必须开展人工结构优化。人工合成的mRNA 与天然 mRNA 结构一致，均由5′ 帽、5′ 非翻译区(UTR)、开放阅读框(ORF)、3′ 非翻译区(3’UTR)以及 poly (A) 尾五部分组成。为解决上述问题，研究人员对 mRNA 各结构元件进行定向优化，以此提升其稳定性与翻译效率。

1.1 mRNA 的 5′ 帽结构

真核生物 mRNA 的 5′ 帽结构为N7 -甲基鸟苷，位于 mRNA 5′ 端，通过反向 5′-5′ 三磷酸键与首个核苷酸相连。5′ 帽可保护 mRNA免受外切核酸酶降解，同时参与剪接、加尾等后续修饰过程，并协助 mRNA 转运至细胞质。真核翻译起始因子必须识别 5′ 帽结构，mRNA 才能启动翻译过程。鉴于 5′ 帽的关键功能，目前已开发出多种体外加帽工艺。牛痘病毒加帽酶、2′-O – 甲基转移酶等加帽酶，可在底物辅助下完成体外加帽。酶促加帽生成的Cap1 结构是人和小鼠细胞中最主要的帽型，兼具低免疫原性、高翻译活性。但该方案需添加多种酶，操作流程较为复杂。与之相比，共转录加帽操作更简便：向转录体系中加入 m7GpppG 等帽类似物，即可一步完成加帽，但会造成三分之一至一半的 mRNA 反向加帽，因缺失完整帽结构而无法翻译出目标蛋白。为解决反向加帽问题，研究者开发了反向帽类似物(ARCA)保证帽结构仅正向整合到 mRNA 链中。转录起始阶段帽类似物与三磷酸鸟苷(GTP)存在竞争效应，导致加帽率偏低，ARCA 无法解决该问题，由此推动了CleanCap技术的诞生。CleanCap 的加帽效率可达 90% 以上，其产物同样为 Cap1 结构，可提升 mRNA 稳定性、降低免疫原性，最终增强翻译效率。

1.2 mRNA 的 3′ poly (A) 尾

绝大多数真核生物 mRNA 的 3′ poly (A) 尾，是在前体 mRNA 完成剪接后，通过逐个添加腺嘌呤核苷酸形成。poly (A) 尾可结合多聚腺苷酸结合蛋白(PABP)，该蛋白进一步与翻译起始因子 eIF4G 互作，使 mRNA 形成环状结构，与 5′ 帽协同调控翻译起始。普遍认为，poly (A) 尾越长，mRNA 稳定性与蛋白表达水平越高。脱腺苷酸化会缩短 poly (A) 尾、引发 mRNA 降解。多重化学修饰的 poly (A) 尾稳定性更强，可让 mRNA 长期维持翻译活性。同时，对 poly (A) 尾进行修饰，还可实现mRNA 翻译过程的示踪检测。

1.3 开放阅读框(ORF)与非翻译区(UTR)

ORF 是 mRNA 的编码区，密码子优化直接决定蛋白表达量。目前密码子优化主要以密码子适应指数(CAI) 为评价标准，该指标反映外源 mRNA 密码子与宿主细胞偏好密码子的匹配程度。编码同一种氨基酸的同义密码子，对应的转运 RNA(tRNA)丰度存在差异；tRNA 丰度越高的密码子，翻译效率越高，这一现象称为密码子偏好性。主流优化策略是选用宿主细胞高丰度 tRNA 对应的同义密码子，提升翻译速率。

UTR 位于 ORF 两侧，无蛋白编码功能，但含有大量调控元件，对 mRNA 稳定性、翻译效率至关重要。5’UTR负责招募核糖体、引导核糖体扫描，并调控翻译起始位点的选择。3’UTR的功能主要由AU 富集元件决定，该元件与 mRNA 失稳、miRNA介导的基因沉默相关。目前 UTR 的主要优化方式为直接选用宿主细胞内高表达基因的 UTR以及借助计算建模构建 UTR 文库，开展高通量筛选。此外，优化mRNA 二级结构、延长半衰期也是重要优化方向。高表达 mRNA 的 5’UTR 及 ORF 前 10 个密码子区域，二级结构普遍较少。而 ORF 其余区域与 3’UTR 的二级结构增多，有助于提升蛋白表达量。但包括双链 RNA 在内的二级结构，会激活模式识别受体，诱发机体固有免疫反应。改变 UTR和ORF 序列，可调控 RNA 二级结构。由于 UTR 功能约束多、改造空间小，研究人员优先改造 ORF 序列来调控二级结构。第二种方案是不改变碱基序列，直接对核苷进行修饰，可抑制 Toll 样受体(TLR)对 mRNA 的识别，大幅降低免疫原性。

1.4 线性 mRNA 的人工智能设计

随着序列延长，mRNA 结构优化的组合数量呈指数级增长，依靠传统枚举与实验筛选最优序列完全不具备可行性。依托人工智能(AI)技术发展， LinearDesign 算法可快速优化 mRNA 密码子与结构稳定性，筛选最优序列。即便不做核苷修饰，经 LinearDesign 设计的 mRNA，化学稳定性与翻译效率也可显著提升。

1.5 自扩增 RNA(saRNA)

新冠病毒及其变异株反复感染、需多次给药的蛋白替代疗法，都是传统非复制型线性 mRNA面临的难题，而自扩增 RNA(saRNA) 成为极具潜力的替代方案。saRNA 额外搭载病毒 RNA 依赖的 RNA 聚合酶(RdRp) 编码序列，可自身作为模板实现 RNA 自我复制。saRNA 复制过程中会形成双链结构，模拟病毒 RNA 复制，激活 RIG1 等模式识别受体，诱发固有免疫，提升疫苗效果。对照实验证实：同等药效下，saRNA 疫苗给药剂量更低、蛋白表达周期更长。然而，双链 RNA 依赖蛋白激酶被激活后会抑制细胞翻译，因此必须精准调控 saRNA 的免疫原性，降低副作用。

1.6 环状 RNA(circRNA)

针对线性单链 mRNA 稳定性差的问题，环状 RNA(circRNA) 成为热门发展方向。circRNA 通过反向剪接形成，环状结构可完全抵御外切核酸酶降解，稳定性极强。天然 circRNA 无 5′ 帽与 poly (A) 尾；人工引入内部核糖体进入位点(IRES)或 5′ 帽结构后，可启动非帽依赖/帽依赖翻译。研究人员通过共价连接帽结构、引入互补寡核苷酸等方式，大幅提升 circRNA 的蛋白表达效率。

图2. mRNA结构优化。

II mRNA 递送载体

mRNA 分子量较大、带负电且易被降解，裸 mRNA 无法实现高效体内递送，因此各类递送载体成为研发核心。目前已开发出脂质、蛋白/多肽、高分子聚合物、病毒等多种递送系统。

2.1 脂类载体

脂质体是最早被研发的囊泡类递送工具，如今脂质纳米颗粒(LNP) 已成为 mRNA 递送领域最成熟、临床转化进度最快的载体，新冠疫苗的成功更是验证了其应用价值。经典 LNP 由可电离脂质、胆固醇、磷脂、聚乙二醇(PEG)化脂质四大组分构成，各组分分工明确，共同保障递送效果。

可电离脂质进入内体后借助质子海绵效应破坏内体膜，将 mRNA 释放至细胞质。研究人员通过高通量筛选设计出多款 FDA 获批的可电离脂质，同时对脂质骨架、支链、可降解结构进行改造，进一步提升递送效率与生物相容性。胆固醇能够调节脂质双分子层的流动性与通透性，防止 mRNA 泄漏。磷脂则起到稳定颗粒结构、促进细胞结合与摄取的作用。对胆固醇类似物、离子型磷脂进行筛选与结构改造，还可实现器官靶向递送。传统 PEG 化脂质可在颗粒表面形成水化层，抑制颗粒聚集、延长体内循环时间，但长期使用易诱发抗 PEG 抗体，造成重复给药后清除加快。目前已有聚甜菜碱脂质等新型替代材料，可规避该问题，同时提升内体逃逸能力。此外，研究还发现脂质立体构型会显著影响递送效率，立体脂质的应用可进一步优化 LNP 性能。

图3. 基于脂质的mRNA递送系统。

2.2 蛋白/多肽类载体

蛋白与多肽类载体生物相容性优异、免疫原性低，是一类极具优势的非病毒递送系统，主要依靠静电作用结合 mRNA 完成组装。鱼精蛋白是经典阳离子多肽，很早就被用于 mRNA 递送，兼具一定佐剂效应。各类细胞穿膜肽也被广泛应用，凭借强大的跨膜能力提升细胞摄取效率。

研究人员还开发出多种智能多肽组装体系，例如 pH 响应型蛋白动态纳米棒，可在酸性内体环境中发生结构解离，实现 mRNA 释放，同时载体自身可逐步降解，降低细胞蓄积毒性。利用核糖体蛋白等内源蛋白构建的递送系统，还可联合靶向多肽实现病灶部位精准给药。

另外，基于哺乳动物内源逆转录病毒同源蛋白构建的 SEND 系统等天然蛋白载体，可自主组装成病毒样颗粒包裹 mRNA，因属于人体固有蛋白，重复给药安全性高，是下一代低免疫递送平台的重要研究方向。

图4. 基于蛋白/多肽的mRNA递送系统。

2.3 聚合物类载体

高分子聚合物具备结构可设计性强、功能灵活多变的特点，可通过分子修饰实现响应型释药、靶向富集，是 mRNA 递送的重要补充载体。聚乙烯亚胺(PEI)是经典阳离子聚合物，内体逃逸能力突出，但高分子量 PEI 毒性较强，目前多通过接枝疏水基团、构建低分子衍生物等方式改良。聚乳酸 – 羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚 β- 氨基酯(PBAE)等可生物降解聚酯安全性更高，应用广泛。将 PLGA 与细胞膜融合蛋白结合构建仿病毒结构，或是设计脂质 – 聚合物复合颗粒，都能有效提升内体逃逸与递送效果。多款新型功能聚合物也被陆续开发，例如可清除活性氧、抑制炎症的 PHTA，在实现 mRNA 递送的同时减轻载体相关毒副作用。科研人员还针对肿瘤微环境、胞内高谷胱甘肽、高 ATP 等特征，设计了 pH、氧化还原、ATP 响应型聚合物，实现病灶部位可控释药，进一步提升治疗精准度。同时通过整合甘露糖等靶向基团，可实现肿瘤、免疫细胞的定向递送。

图5. 聚合物递送载体。

2.4 病毒载体

病毒依托天然侵染能力，转染效率极高，常被用于难转染细胞与屏障穿透型递送。目前用于 mRNA 递送的主要为慢病毒和腺相关病毒(AAV)。借助 MS2 外壳蛋白等包装系统，可改造病毒载体实现 mRNA 的特异性装载，改造后的慢病毒、AAV 能够穿透血脑屏障，完成全脑范围的 mRNA 递送，也可用于眼部、神经系统相关基因编辑研究。但病毒载体固有缺陷十分突出：普遍存在较强免疫原性，易被机体清除，同时存在潜在细胞毒性、包装容量有限等问题，极大限制了大范围临床应用。

III mRNA应用领域

mRNA 进入细胞后可在核糖体上翻译出功能蛋白，凭借无基因组整合风险、研发周期短等优势，现已在传染病疫苗、肿瘤治疗、蛋白替代、细胞疗法、基因编辑等多个领域落地应用，成为新一代医疗技术的重要支柱。

3.1 传染病疫苗

新冠 mRNA 疫苗的巨大成功推动了该类疫苗的全面发展。目前多款新冠迭代疫苗、呼吸道合胞病毒(RSV)疫苗已获批上市或进入临床试验，其中 RSV 疫苗在老年人群中展现出良好保护效果。除常规肌肉注射剂型外，鼻喷式 mRNA 疫苗也得到深入研究，可同时激活全身免疫与呼吸道黏膜免疫。

研究人员还开发了编码中和抗体的 mRNA，通过体内表达抗体实现被动免疫。自扩增 RNA(saRNA)疫苗凭借低剂量、长效免疫的特点脱颖而出，已有产品获批用于新冠防控。此外，研究人员还探索了流感、寨卡病毒、EB 病毒、结核杆菌、艰难梭菌、疟原虫等多款病原体的 mRNA 疫苗，覆盖病毒、细菌、寄生虫等多种病原微生物，应用版图持续拓宽。

图6. mRNA传染病疫苗。

3.2 肿瘤疫苗

肿瘤 mRNA 疫苗分为预防性与治疗性两大类，核心是在体内表达肿瘤抗原，激活机体抗肿瘤免疫。主要靶点包括肿瘤相关抗原(TAA)和肿瘤特异性新抗原(TSA)。

基于新抗原的个性化 mRNA 疫苗是当下研发热点，代表性产品mRNA-4157联合免疫检查点抑制剂已进入 III 期临床，可显著降低黑色素瘤患者的肿瘤复发率；针对胰腺癌的个体化 mRNA 疫苗也取得积极临床结果。

胶质母细胞瘤等难治性肿瘤同样在开展 mRNA 疫苗研究，这类疫苗可重塑肿瘤微环境，将 “冷肿瘤” 转化为 “热肿瘤”。同时，mRNA 技术也被用于人乳头瘤病毒(HPV)相关肿瘤、卵巢癌等多种恶性肿瘤的治疗探索。

图7. mRNA肿瘤疫苗。

3.3 蛋白替代疗法

针对基因缺陷导致的蛋白缺失类罕见病，mRNA 可在体内原位表达功能性蛋白，弥补先天蛋白不足。代表性药物mRNA-3927用于治疗丙酸血症，通过表达缺陷的丙酰辅酶 A 羧化酶，有效改善患者代谢紊乱，相关临床试验结果良好。

此外，该技术还被用于高尿酸血症、自身免疫病、皮肤光老化修复等方向。saRNA 因表达周期更长，也被应用于遗传性不育等疾病的蛋白替代治疗，相比常规线性 mRNA 优势显著。

图8. mRNA蛋白替代疗法。

3.4 细胞因子疗法

传统外源性细胞因子存在半衰期短、全身毒副作用强的缺陷。利用 mRNA 编码各类细胞，可在病灶局部原位合成细胞因子，实现局部高浓度起效、降低全身毒性。

白介素 12(IL-12)是研究最广泛的靶点，瘤内递送 IL-12 mRNA 可逆转肿瘤免疫抑制微，相关候选药物已进入临床。此外，IL-2 及其突变体、IL-27、IL-23等也被广泛研究。多种细胞因子 mRNA 共递送可产生协同效应，进一步提升抗肿瘤效果。该技术除用于肿瘤治疗外，还可作为疫苗佐剂，增强免疫应答与免疫记忆。

3.5 细胞治疗

依托 mRNA 可在体内瞬时表达功能蛋白的特点，能够原位制备 CAR-T、CAR-NK、CAR-M等免疫细胞，省去体外细胞提取、改造、回输的复杂流程，大幅简化工艺、降低成本。

目前已有靶向成纤维细胞活化蛋白(FAP)的原位 CAR-T 疗法用于心力衰竭、自身免疫病的相关研究。同时，利用 mRNA 改造 NK 细胞、巨噬细胞的相关技术也在快速发展，为实体瘤治疗提供了新方案。

图9. mRNA细胞因子疗法和细胞疗法。

3.6 基因编辑疗法

将编码 Cas9 等基因编辑蛋白的 mRNA 与向导 RNA 联用，可实现体内精准基因编辑。mRNA 仅在细胞内短期存在，相比 DNA 载体，大幅降低脱靶风险与基因组整合隐患。

目前多款 CRISPR-mRNA 疗法进入临床，如用于转甲状腺素蛋白淀粉样变性、遗传性血管水肿的候选药物，通过靶向敲除致病基因达到治疗效果。该技术还被应用于黄斑变性、遗传性血液病、高脂血症、眼部遗传病等疾病的干预。除基因敲除外，基于 dCas9 的转录激活 / 抑制系统也借助 mRNA 实现体内调控，在基因表达调控领域具备应用潜力。

图10. mRNA基因编辑疗法。

IV 面临挑战与未来展望

现存挑战：

分子层面：mRNA易降解、半衰期短；核苷修饰、新型RNA仍存在免疫风险与翻译异常问题。

递送系统：LNP 等主流载体存在不良反应、抗 PEG 抗体等问题，各类新型载体量产难、靶向效率不足。

生产储运：序列筛选、抗原预测难度大，纯化要求高，且多数产品依赖超低温冷链，普及受限。

安全层面：长期安全性数据缺失，不同人群用药风险难以把控。

未来展望：

AI将全面赋能mRNA设计、载体筛选，大幅提升研发效率；saRNA、circRNA等新型RNA持续迭代。递送载体向低毒、内源化、精准靶向方向升级。应用场景不再局限于疫苗，向罕见病、基因编辑、再生医学等领域拓展；同时优化制剂工艺与冷链，推进工业化、标准化，让mRNA技术实现更广泛的临床应用。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc.)，包括微纳米材料与结构的合成、表征、性能及其在能源、催化、环境、传感、人工智能、电磁波吸收与屏蔽、健康监测、生物医药等领域的应用研究及高水平综述。期刊已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2025 JCR IF=38.5，学科排名Q1区前1.5%。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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