LNP 从零开始 · 第 1 篇
2020 年底，辉瑞/BioNTech 的 BNT162b2 和 Moderna 的 mRNA-1273 成为全球首批获批的 mRNA 疫苗，III 期临床有效率达到 94%–95%。这两支疫苗让大多数人第一次听说"mRNA"这个词。但 mRNA 治疗的故事远比 COVID-19 早得多。它的科学根基可以追溯到 1961 年。要理解 mRNA 为什么能当药用，得先看它在细胞里本来做什么。
人体内大约有两万多个基因，对应着更多数量的蛋白质（因为同一个基因可以通过不同的剪接方式产生多种蛋白质变体）。这些蛋白质的"设计图纸"存储在 DNA 中。问题是，DNA 位于细胞核内，而合成蛋白质的核糖体却在细胞核外的细胞质中。
把图纸从核里带到细胞质的，是 mRNA（messenger RNA，信使 RNA）。
1958 年，Francis Crick 提出了中心法则（Central Dogma）：遗传信息的流向是 DNA → RNA → 蛋白质。这条信息链在每个细胞里持续运转，分三步走：
mRNA 就是这条从 DNA 到蛋白质之间的"信使"。它携带着蛋白质的编码信息，但本身是一次性的。翻译完成后，mRNA 被细胞内的核酸酶降解回核苷酸，这些核苷酸可以被回收利用。细胞自身的天然 mRNA 在胞内的半衰期从几分钟到几个小时不等，取决于它的序列特征和所携带的调控元件。这种快速降解对药物是一个天然优势：它不会在体内长期存留。
既然 mRNA 的作用是指定核糖体合成哪种蛋白质，我们就可以在体外设计一条 mRNA，送进患者的细胞里。细胞的核糖体会按照这条 mRNA 的指令，临时生产我们想要的蛋白质。这个蛋白质可以是疫苗的抗原（用来训练免疫系统），可以是患者体内缺失的功能蛋白（用于遗传病治疗），也可以是 Cas9 核酸酶（用于基因编辑）。
mRNA 药物的核心逻辑
让患者自己的细胞当药厂：送进去的是编码蛋白质的 mRNA，蛋白质由细胞自己合成。
这和传统蛋白质药物的思路有本质区别。传统方法是在体外的工厂（CHO 细胞、大肠杆菌）里生产重组蛋白，经过一系列纯化步骤后注射给患者。蛋白质药物的生产周期长、成本高，而且不同蛋白质往往需要完全不同的工艺条件。抗体的表达纯化流程，无法直接套用到替代酶。mRNA 药物则把"生产指令"送进去，让患者自己的细胞在体内合成蛋白质。因为蛋白质是在人体细胞内合成的，它天然具有正确的翻译后修饰（糖基化、磷酸化等），这一点是体外生产的重组蛋白往往难以完美复制的。
和重组蛋白药、病毒载体相比，mRNA 药物的差别在下面几点：
当然，mRNA 作为药物也有一个核心挑战：它太脆弱了。裸 mRNA 在血液中几分钟就被核酸酶降解。人体的血液和组织液里充满了 RNA 酶（RNase），它们的功能就是清除游离的 RNA。而且 mRNA 是一条约 1,000–10,000 nt 长的单链分子，带负电荷，很难穿过同样带负电的细胞膜（磷脂双分子层的外表面带负电）。怎么解决这个问题，是后面几篇文章的主题，也是需要 LNP（脂质纳米颗粒）的原因。
mRNA 只是 RNA 家族中的一个成员。RNA 在细胞里承担的角色远比"信使"丰富。有些 RNA 本身就是催化分子，有些专门负责沉默基因表达，有些则能折叠成特定的三维结构去结合蛋白质。了解这些角色，有助于理解 RNA 药物为什么是一个多模态的治疗平台，覆盖的远不止 mRNA 疫苗。
RNA 药物家族概览：mRNA、siRNA、miRNA、ASO、saRNA、tRNA、Aptamers 等不同类型的 RNA 治疗分子，各自利用独特的生物学机制发挥治疗作用。
RNA 类型 / 作用机制 / 代表性药物 / 应用
mRNA:作用机制 编码蛋白质，进入细胞质后被核糖体翻译为功能蛋白;代表性药物 / 应用 COVID-19 疫苗（BNT162b2、mRNA-1273）
siRNA:作用机制 21–23 nt 的双链 RNA。它被 Dicer 酶切割后加载到 RISC 复合物（RNA-induced silencing complex）中。RISC 利用 siRNA 的反义链识别并切割互补的靶标 mRNA，从而"沉默"特定基因的表达。;代表性药物 / 应用 Patisiran（Onpattro），治疗遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性（hATTR），2018 年获批，全球首个 LNP-siRNA 药物
ASO:作用机制 反义寡核苷酸，单链 DNA/RNA 分子（通常 15–25 nt）。它通过碱基互补结合靶标 pre-mRNA 或 mRNA。结合后，它既可以招募 RNase H 降解靶标，也可以通过空间位阻改变剪接模式（跳过或包含特定外显子）。;代表性药物 / 应用 Nusinersen（Spinraza），通过调控 SMN2 基因剪接治疗脊髓性肌萎缩症 (SMA)
miRNA:作用机制 内源性小 RNA（约 22 nt），通过与靶标 mRNA 的 3' UTR 部分互补配对，抑制翻译或促进降解。一个 miRNA 可以同时调控数百个基因，参与细胞增殖、分化、凋亡等核心过程;代表性药物 / 应用 多个肿瘤和纤维化管线在临床前/早期临床，如 MRG-201（miR-29 mimic）治疗纤维化
saRNA:作用机制 自扩增 RNA，包含来自甲病毒的 RNA 依赖性 RNA 聚合酶（RdRp）序列，进入细胞后可以复制自身，用更少的初始剂量产生大量目标蛋白。缺点是分子更长（约 9–12 kb），免疫原性也更强;代表性药物 / 应用 ARCT-154（Arcturus / CSL，2023 年 11 月在日本获批），CSL/Seqirus 的 saRNA 流感疫苗平台正在临床推进
Aptamer:作用机制 核酸适配体，通过 SELEX 技术体外筛选，能折叠成特定三维结构（茎环、G-四联体等）。它像抗体一样高亲和力结合靶蛋白，但分子量小得多（8–25 kDa vs 抗体 150 kDa）。;代表性药物 / 应用 Pegaptanib（Macugen），结合 VEGF-165 治疗湿性黄斑变性，2004 年获批
这些不同类型的 RNA 药物面临一个共同的挑战：怎么安全高效地送进细胞。裸 RNA 在体液中极其不稳定，同时又因为带负电荷而难以穿过细胞膜。LNP 技术最初是为 siRNA 递送开发的。Alnylam 的 Onpattro 在 2018 年获批，成为全球第一个 LNP-RNA 药物，治疗 hATTR 淀粉样变性。这个里程碑证明了 LNP 递送的可行性，也为后来 mRNA 疫苗的快速开发奠定了基础。
天然 mRNA 有两个关键问题。第一个是稳定性差。RNA 骨架上的 2'-OH 让它比 DNA（缺少这个羟基）更容易被水解。加上血液和组织液中大量的 RNase，裸 mRNA 在体内的半衰期只有几分钟。第二个更棘手：先天免疫系统会把外源 mRNA 当成病毒入侵的信号。
人体的先天免疫有一套模式识别受体（Pattern Recognition Receptors），专门识别病原体相关的分子特征。其中，内体膜上的 Toll 样受体 TLR3 识别双链 RNA，TLR7 和 TLR8 识别单链 RNA。这些受体结合外源 RNA 后，会激活 NF-κB 和 IRF 信号通路，触发 I 型干扰素和促炎细胞因子的大量释放。这会引起炎症反应，让患者不适。同时被激活的还有 PKR（蛋白激酶 R）和 OAS（2',5'-寡腺苷酸合成酶）等抗病毒效应蛋白，它们直接抑制 mRNA 的翻译。结果是外源 mRNA 还没来得及大量翻译，就被抑制或降解了。
2005 年，宾夕法尼亚大学的 Katalin Karikó 和 Drew Weissman 发现了一个关键突破：他们把 mRNA 中的尿嘧啶核苷（uridine）替换成假尿嘧啶核苷（pseudouridine, Ψ），发现这样可以大幅降低免疫识别并提高翻译效率。这个替换之所以有效，是因为 TLR7/8 识别 RNA 的关键在于 uridine 的化学结构。pseudouridine 和 uridine 的区别仅在于尿嘧啶环与核糖的连接位点不同（C-C 键 vs C-N 键）。但这个微小的差异足以让 TLR7/8 无法正常识别。
后来他们又发现 N1-甲基假尿嘧啶核苷（m1Ψ） 效果更好，不仅逃避免疫识别的能力更强，还能改善核糖体的翻译保真度。这个发现让他们获得了 2023 年诺贝尔生理学或医学奖。
一条用于治疗的 mRNA 是一个经过工程化设计的分子，通常包含以下结构：
经过这些修饰，体外转录的 mRNA 在细胞内存留更久，翻译的蛋白质产量也大幅提升。辉瑞/BioNTech 和 Moderna 的疫苗都使用了 m1Ψ 完全替换 uridine。CureVac 的早期候选疫苗 CVnCoV 没有做核苷修饰，靠序列优化来降低免疫原性，III 期有效率仅 47%，远低于前两者的 94–95%。这个差距常被用来说明核苷修饰的作用，但有效率还受剂量、LNP 配方和抗原设计影响，不能只归因于修饰。修饰本身的证据见上文 2005 年的工作。
从基础发现到成药，mRNA 治疗经历了三个清晰的阶段：
mRNA 治疗领域的关键里程碑时间线：从 1961 年 mRNA 的发现，到 2020 年 COVID-19 mRNA 疫苗的全球获批，近 60 年的积累。
1961 年，Sydney Brenner、François Jacob 和 Matthew Meselson 在 Nature 上发表了那篇经典论文，用 T4 噬菌体感染大肠杆菌的实验证实了 mRNA 的存在。mRNA 就是 DNA 和核糖体之间的信息中间体。同年，Nirenberg 和 Matthaei 在无细胞体系中用 poly-U（全是尿嘧啶的合成 RNA）翻译出了 poly-phenylalanine，开启了遗传密码的破译工作。
1970 年代到 1980 年代，几个基础性发现为 mRNA 药物打下基础：Shatkin 等人发现了 mRNA 5' 端的 cap 结构并阐明了它在翻译起始中的作用；1984 年，Krieg 和 Melton 用 SP6 RNA 聚合酶实现了体外 mRNA 合成并在爪蟾卵母细胞中翻译出蛋白质；Malone 等人开始用阳离子脂质体（Lipofectin）包裹 mRNA 进行体外转染实验，为脂质递送奠定了概念基础。
1990 年，Wolff 等人在 Science 上报告了一个令人意外的结果：把裸 mRNA 直接注射到小鼠骨骼肌中，检测到了蛋白质表达。虽然表达量不高、持续时间有限，但这是 mRNA 体内翻译的第一个概念验证：证明外源 mRNA 可以在活体动物细胞中被翻译。
1990 年代，多个方向开始探索 mRNA 的治疗潜力。1992 年，加压素 mRNA 被注入大鼠下丘脑并逆转了尿崩症表型，这是 mRNA 蛋白替代疗法的最早尝试。1993 年，Martinon 等人用脂质体包裹流感核蛋白 mRNA 注射小鼠，诱导了特异性 CTL（细胞毒性 T 淋巴细胞）反应，首次证明 mRNA 可以作为疫苗。
2000 年代迎来几个转折点。2001 年，第一项 mRNA 工程化树突细胞临床试验在前列腺癌患者中启动：从患者体内取出树突细胞，体外转染肿瘤抗原 mRNA 后回输。2005 年，Karikó 和 Weissman 发表了核苷修饰的突破性论文（发表在 Immunity 上），证明 pseudouridine 修饰可以大幅降低 mRNA 激活 TLR 的能力。2008 年，CureVac 的鱼精蛋白-mRNA（protamine-mRNA）复合物治疗前列腺癌进入 I/II 期临床试验。
2010 年代，行业开始加速。2010 年，Moderna 成立（公司名取自 "modified RNA"）；2012 年，BioNTech 开始系统性地开发 mRNA 癌症免疫疗法。2017 年，BioNTech 的 FixVac 平台（编码四种黑色素瘤共享抗原的 mRNA）在 I 期试验中让 3/13 患者的肿瘤完全缓解。2018 年，Alnylam 的 Patisiran 获批，它虽然是 siRNA 而非 mRNA，却是第一个获批的 LNP-RNA 药物，验证了 LNP 递送系统的安全性和有效性。2019 年，Moderna 的流感疫苗、巨细胞病毒（CMV）疫苗等多条管线在临床推进中。
2020 年 1 月 11 日，SARS-CoV-2 的基因组序列公布。两天后的 1 月 13 日，Moderna 团队和 NIH 的 Barney Graham 实验室已经敲定了 mRNA-1273 的序列设计。序列编码预融合构象稳定的 spike 蛋白。设计中引入了两个脯氨酸突变 K986P 和 V987P，即 S-2P 设计，让 spike 蛋白锁定在更容易被抗体识别的构象上。
3 月 16 日，第一位志愿者接种了这款疫苗。7 月进入 III 期，入组 3 万人。12 月获得 FDA 紧急使用授权。辉瑞/BioNTech 的 BNT162b2 以几乎相同的时间表推进，两款疫苗的 III 期有效率分别为 94.1% 和 95%。
COVID-19 疫苗的成功，集中体现了三个领域几十年的积累：Karikó/Weissman 的核苷修饰技术，解决了免疫原性和翻译效率问题；Pieter Cullis 等人数十年的 LNP 递送系统研究，从最早的脂质体走到 Onpattro 的获批；mRNA 序列设计和生产工艺的成熟，包括 IVT 反应的优化和纯化技术的突破。Omicron 变异株在 2021 年底出现后，针对新变异株的二价加强针在 100 天内就完成了从序列设计到临床测试。
截至 2025 年，全球有超过 500 个 RNA 治疗候选药物在临床评估中。Moderna 的 RSV 疫苗 mRESVIA（mRNA-1345）于 2024 年获 FDA 批准，成为首款获批的非 COVID mRNA 疫苗。mRNA 技术已经从"能不能用"走到了"怎么用得更好"的阶段。
mRNA 的"平台化"特性意味着，只要改变 mRNA 编码的蛋白质序列，就可以针对不同疾病开发治疗方案。不同于小分子药物（每个靶点从头筛选化合物）或抗体药物（每个靶点从头筛选和工程改造），mRNA 的底层生产技术不变，变的只是序列。
mRNA 治疗的主要应用领域涵盖传染病疫苗、肿瘤免疫治疗、心血管疾病、遗传病蛋白替代、基因编辑等多个方向。
### 传染病疫苗
COVID-19 之后，mRNA 疫苗管线在快速扩展。Moderna 的 RSV 疫苗 mRESVIA（mRNA-1345）已在 2024 年获批，III 期试验显示对 60 岁以上人群的 RSV 下呼吸道感染保护率为 83.7%。流感方面，Moderna 的 mRNA-1010 和 Sanofi/Translate Bio 的候选疫苗都在 III 期试验中。更前沿的方向包括联合疫苗：Moderna 正在测试流感+COVID 二合一 mRNA 疫苗（mRNA-1083），以及流感+COVID+RSV 三合一疫苗，用一针覆盖多种呼吸道病原体。HIV 方向，Moderna 与 IAVI 合作的 mRNA-1644 正在 I 期试验中探索生殖系靶向（germline targeting）策略。saRNA 平台因为剂量需求低（理论上只需 mRNA 的 1/10–1/100），被 Arcturus、CSL/Seqirus 等公司探索作为下一代疫苗技术。
### 癌症免疫治疗
个性化新抗原疫苗是最受关注的方向之一。流程是：先对患者的肿瘤和正常组织做全外显子组测序（WES）。再用算法预测哪些肿瘤特异性突变会产生能被 MHC 分子呈递的新抗原肽段。然后设计编码多个新抗原（通常 20–34 个）的 mRNA。注射后，树突细胞摄取并呈递这些抗原，训练 T 细胞识别和攻击肿瘤。
Moderna/Merck 的 mRNA-4157（V940）联合 pembrolizumab 在 IIb 期 KEYNOTE-942 试验中，将 III/IV 期黑色素瘤患者的复发或死亡风险降低了 44%（vs. 单用 pembrolizumab），目前已进入 III 期试验（KEYNOTE-D37）。BioNTech 的 autogene cevumeran（BNT122）在胰腺导管腺癌术后辅助治疗的 I 期试验中，产生 T 细胞应答的患者在 18 个月随访中无一复发。mRNA 还被用于体内 CAR-T 编程。Capstan Therapeutics（2025 年被 AbbVie 收购）的 LNP 递送编码 CAR 的 mRNA，直接在体内将 T 细胞改造为 CAR-T 细胞。这样不需要体外采集、扩增和回输的复杂过程。
### 遗传病与蛋白替代
有的遗传病是基因缺陷导致某种蛋白缺失或功能异常。对这类病，mRNA 可以作为"蛋白替代疗法"：定期注射编码缺失蛋白的 mRNA，让患者的细胞持续生产该蛋白。Moderna 的 mRNA-3927 用于治疗丙酸血症（propionic acidemia）。这是一种罕见代谢病，因丙酰辅酶 A 羧化酶缺陷导致有毒代谢产物积累。mRNA-3927 在 I/II 期试验中已显示蛋白表达和代谢标志物的改善，目前进入关键性试验。
蛋白替代的思路也用在非遗传病上。AstraZeneca 的 AZD8601 编码 VEGF-A，通过心外膜注射治疗缺血性心力衰竭。它利用 mRNA 表达的 VEGF-A 促进局部血管新生。II 期试验的初步结果显示了心功能的改善趋势。Arcturus 的 ARCT-032 针对囊性纤维化（编码 CFTR 蛋白），通过雾化吸入给药，直接递送到肺上皮细胞。
和传统的酶替代疗法（ERT）相比，mRNA 方法的好处在蛋白质本身。细胞自己合成的蛋白质，有正确的翻译后修饰和亚细胞定位（比如膜蛋白会正确插入细胞膜）。
### 基因编辑
用 LNP 递送 Cas9 mRNA + sgRNA，实现体内 CRISPR 基因编辑。与递送 Cas9 蛋白或质粒 DNA 相比，mRNA 方式的优势在于 Cas9 蛋白只会瞬时表达（mRNA 翻译后几小时就开始降解）。这大幅缩短了 Cas9 在细胞内的活性窗口，降低了长时间暴露导致的脱靶编辑风险。
Intellia 的 NTLA-2001 是这个方向最前沿的项目：它靶向肝脏的 TTR 基因，用于治疗转甲状腺素蛋白淀粉样变性（ATTR）。I 期临床数据显示，单次静脉注射后，血清 TTR 水平持续降低超过 90%，效果维持至少两年，且安全性良好。Verve Therapeutics 的 VERVE-102 则更激进：靶向 PCSK9 基因进行碱基编辑（用 LNP 递送腺嘌呤碱基编辑器 mRNA + sgRNA）。目标是通过一次注射永久降低 LDL 胆固醇。
本文内容整理自：Raj Kumar (Ed.), Lipid Nanoparticle-based mRNA Delivery Systems, Academic Press (Elsevier), 2026, Chapter 1: Introduction to RNAi Therapeutics (Naveen Bunekar)。图片来源于该书 Figure 1.1、1.2、1.3。