研究者利用RNA遞送奈米載體資料庫構建了機器學習模型，指導並篩選高RNA轉染效率的載體核心，隨後通過脂質材料包載載體核心提高淋巴結靶向效率，開發了一種具有高RNA轉染效率和高淋巴結靶向性的mRNA奈米腫瘤疫苗。相關成果發表於《國家科學評論》（National Science Review，NSR），中科院上海藥物所李亞平研究員、鄭明月研究員和上海交通大學王當歌研究員為共同通訊作者。
mRNA奈米疫苗的作用機制（a）及機器學習指導奈米疫苗理性設計的策略（b）。
mRNA腫瘤疫苗是一種十分有潛力的癌症免疫療法。然而，mRNA腫瘤抗原的遞送受到多種生理因素的影響，導致在體內快速清除、缺乏淋巴結或樹突狀細胞靶向性、易降解、不易透過細胞膜及溶酶體屏障等。提高mRNA抗原的遞送效率是改善mRNA腫瘤疫苗免疫治療效果的關鍵。該研究基於奈米載體資料庫（2010-2021, web of science）的機器學習模型，確定了高效遞送mRNA和STING激動劑cGAMP的奈米疫苗的關鍵參數。製備了基於苯硼酸接枝聚乙烯亞胺的mRNA/cGAMP 奈米複合物，並進一步包被陰離子脂質材料獲得該奈米疫苗。（1）奈米疫苗的表面負電荷減少了與基質中帶負電糖胺聚糖的作用，提高奈米疫苗在淋巴結蓄積；（2）奈米疫苗被淋巴結內抗原呈遞細胞（APCs）攝取後，促進mRNA和cGAMP從內體向胞質釋放，有效激活STING通路並誘導APCs呈遞腫瘤抗原；（3）STING通路的激活促進IFN-I的釋放，激活T細胞免疫應答，殺傷腫瘤細胞，抑制腫瘤細胞生長和轉移。與單獨mRNA疫苗相比，基於該奈米疫苗的治療策略在黑色素瘤和結直腸癌模型中展現出更強的抗腫瘤效果。
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機器學習指導的mRNA奈米疫苗分步設計
以RNA遞送或RNA疫苗為關鍵詞采集奈米粒粒徑、表面電位、胞內轉染效率、載體類型、響應性和表面修飾情況等關鍵參數（2010-2021，web of science），構建4種機器學習模型並優選XGBoost模型，指導並篩選mRNA奈米複合物的構建。優選高轉染效率的mRNA奈米複合物作為載體核心，利用脂質載體制備Lipo-ORG奈米疫苗，並進一步優選具有高淋巴結靶向能力的奈米疫苗系統。
mRNA奈米疫苗的分步設計。（a）機器學習模型的構建與優選；（b）m奈米複合物核心的粒徑和TEM表徵；（c）m奈米複合物胞內轉染效率的研究；（d）脂質載體包載mRNA奈米複合物，製備奈米疫苗；（e）mRNA奈米疫苗體內淋巴結靶向評價。
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mRNA奈米腫瘤疫苗激活抗腫瘤免疫應答
與遊離的mRNA和cGAMP相比，奈米疫苗可有效提高荷載的mRNA抗原的呈遞，激活STING信號通路並促進CXCL10，Isg15和IFN-β的分泌。給藥後，Lipo-ORG組的腫瘤組織內OVA抗原特異性CTLs的比例顯著升高，CD8+/CD4+T細胞的比例也顯著提高，表明奈米疫苗有效激活了腫瘤特異性抗腫瘤免疫應答。
mRNA奈米疫苗激活抗腫瘤免疫應答。（a）Lipo-ORG促進抗原呈遞；（b）Lipo-ORG在體內激活STING信號通路；（c）提高OVA抗原特異性CTLs的比例；（d）奈米疫苗提高CD8+/CD4+T細胞比例。
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改善腫瘤免疫治療效果
在B16-OVA皮下瘤荷瘤小鼠模型中評價奈米疫苗的抗腫瘤效果，結果顯示：Lipo-ORG顯著抑制了皮下瘤的生長，延長了小鼠生存期。PBS組處理的小鼠在25天內全部死亡，而Lipo-ORG處理組中，67%的小鼠存活超過40天。隨後，在B16-OVA肺轉移瘤模型中，考察了抑制肺轉移灶形成的情況，奈米疫苗可以顯著抑制肺轉移灶的形成。在MC38-OVA荷瘤小鼠模型中也觀察到了相似的腫瘤生長抑制趨勢。實驗結果表明，該mRNA奈米疫苗激活的抗腫瘤免疫應答可以有效抑制多種類型腫瘤的生長。
mRNA奈米疫苗改善腫瘤治療效果。（a）B16-OVA皮下瘤荷瘤小鼠的腫瘤體積生長曲線；（b）B16-OVA荷瘤小鼠的生存期；（c）B16-OVA肺轉移模型荷瘤小鼠的肺轉移灶定量資料；（d）MC38-OVA皮下瘤荷瘤小鼠的腫瘤體積生長曲線。
該研究利用機器學習手段指導奈米疫苗的理性化設計，使其兼具高樹突狀細胞靶向性和高mRNA抗原呈遞效率，實現mRNA抗原和環二核苷酸類STING激動劑的高效協同遞送，提高了癌症免疫治療效果。通過增強 mRNA 抗原和環二核苷酸類STING激動劑cGAMP的淋巴結靶向遞送並增強抗原呈遞，有效激活STING信號通路，激活抗腫瘤免疫應答與免疫記憶效應，提高對結直腸癌、黑色素瘤的免疫治療效果。該研究為mRNA奈米腫瘤疫苗的理性化設計、構建與開發提供了新思路。
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