上海交通大学姚广保/樊春海团队JACS：可编程边长单链RNA折纸实现可控先天免疫激活

核酸感应受体（NA-sensing receptors）是一类重要的先天免疫受体，其对于维持细胞和机体的稳态尤为重要。针对核酸感应受体的配体（ligands）开发，可以实现先天免疫系统的可控激活，在抗病毒和抗肿瘤领域有着重要应用。然而，复杂的核酸感应调控机制，对核酸类配体的靶向递送、原位有效浓度和可控的免疫原性提出了很高要求。首先，核酸感应受体的区室化分布，要求核酸配体实现细胞器水平的精准递送。例如Toll样受体（TLRs）大多分布在细胞膜或者内体（溶酶体）中，而cGAS-STING、RIG-I等通路需要配体在细胞内进行激活。其次，核酸类配体可能被核酸酶或者特定细胞器加工降解，这直接影响到配体的局部有效浓度和可利用性，从而影响到受体的识别和激活。最后，核酸识别受体在不同免疫细胞的表达差异和下游信号串扰，也对核酸配体的可控免疫原性和安全性，提出了更高的要求。

大于40 bp的双链RNA是TLR3的配体，可以实现TLR3的二聚化。使用长双链RNA或者其类似物，如聚肌苷酸胞苷酸（polyIC），可以实现TLR3通路的激活。然而，这些RNA配体容易被血液和组织中的RNA酶解，影响了它们的生物医学应用。同时，polyIC的分子量分布宽，呈现出不均一的物化性质，同时会串扰其他免疫通路，带来了安全风险，限制了其临床收益。因此，亟需一种TLR3新型的免疫激活剂（佐剂）的策略，以实现高效、安全、可控的TLR3激活。

图1. 单链RNA折纸的合成与表征

针对以上问题，上海交通大学变革性分子前沿科学中心（化学化工学院）姚广保、樊春海院士联合上海交通大学医学院附属仁济医院刘颖斌课题组、亚利桑那州立大学颜颢课题组提出了一种基于单链RNA折纸的新型TLR3免疫佐剂的设计策略。单链RNA折纸可以调控形状和尺寸，具有良好的生物稳定性、细胞器靶向性和可控的免疫原性，实现了TLR3的可预测地激活。这一策略为后续靶向核酸受体的配体设计提供了参考。

图2. 单链RNA折纸展现良好的生物稳定性和内体溶酶体滞留能力

研究人员设计了不同形状和不同边长的单链RNA折纸。单链RNA折纸内部的P型交叉（paranemic-crossover）结构，大大提升了其抗RNA酶降解的能力，并提升了RNA折纸在内体溶酶体中的滞留时间，这也为后续TLR3的持续激活提供了基础。

图3. 调控单链RNA折纸边长实现可控的先天免疫激活

随后，研究人员发现，调控单链RNA折纸的边长，可以控制RNA折纸与TLR3的相互作用，进一步地会影响到巨噬细胞的激活状态。边长为77 bp的单链RNA折纸，与TLR3的相互作用较弱，其巨噬细胞的激活能力不高。而长边长（143 bp 和 209 bp）的单链RNA折纸，可以与TLR3形成更大的聚集体，同时也可以更有效地激活巨噬细胞。巨噬细胞的激活程度，与单链RNA折纸的边长呈现正相关。

图4. 单链RNA折纸联合PD-L1抗体实现肿瘤免疫治疗

在分子和细胞实验的基础上，研究人员选取长边长的单链RNA作为新型佐剂，进一步在小鼠活体上，验证单链RNA折纸作为新型免疫佐剂的潜力。研究人员通过瘤内注射的方式，将209 bp的长方形单链RNA折纸注射到荷瘤小鼠体内，并使用单细胞测序（scRNA-seq）技术，分析比较实体瘤内免疫微环境中，先天免疫细胞的变化。研究人员发现，注射过单链RNA折纸的小鼠肿瘤中，相较空白组和polyIC实验组，有着更多激活的巨噬细胞和中心粒细胞，这些细胞展现出抗肿瘤的功能。最后，作者将单链RNA折纸联合PD-L1抗体，在小鼠胰腺癌皮下瘤模型上进行验证，发现单链RNA折纸可以联合PD-L1抗体，有效地实现肿瘤生长抑制。

相关研究成果发表在Journal of the American Chemical Society （《美国化学会会刊》）上，第一作者为上海交通大学变革性分子前沿科学中心（化学化工学院）博士生戴琨。第一通讯单位为上海交通大学变革性分子前沿科学中心（化学化工学院）。

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Edge Length-Programmed Single-Stranded RNA Origami for Predictive Innate Immune Activation and Therapy 

Kun Dai, Yang Xu, Yang Yang, Jianfeng Shen, Xiaoguo Liu, Xinyi Tu, Lu Yu, Xiaodong Qi, Jiang Li, Lihua Wang, Xiaolei Zuo, Yingbin Liu*, Hao Yan*, Chunhai Fan*, Guangbao Yao*

J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 17112–17124, DOI: 10.1021/jacs.3c03477

导师介绍

姚广保

https://www.x-mol.com/university/faculty/369159 

樊春海

https://www.x-mol.com/university/faculty/188467 

颜颢

https://www.x-mol.com/university/faculty/4874