对于mRNA药物而言，将mRNA成功递送至细胞内，并不一定能够获得理想的蛋白表达。除了细胞摄取与内体逃逸，mRNA在递送过程中能否保持完整、避免过早降解，同样影响着最终的表达水平。那么，除了优化mRNA序列和LNP材料，能否通过调整制剂中的功能组分，减少mRNA降解，从而进一步提高蛋白表达水平？
2023年，美国北卡罗来纳大学教堂山分校的Owen S. Fenton团队提出ATP与mRNA共同包封的LNP递送策略，显著提升了mRNA的蛋白表达水平。2025年，该团队进一步探索了核苷酸、氨基酸、辅酶等不同类型代谢物对mRNA递送效果的影响，验证了ATP、GTP等核苷酸的表达增强作用。
但是，核苷酸究竟如何发挥增效作用，其作用是否依赖磷酸键水解，以及不同分子结构如何影响增效效果，仍有待深入研究。
近日，广州医科大学张灵敏教授与南方科技大学蒋兴宇教授团队在Nano Today发表研究论文，系统探究了核苷酸与mRNA共递送的增效机制。研究发现，将ATP或GTP与mRNA共同包封于LNP中，可显著提高多种细胞中的蛋白表达水平，体外最高提升约13倍，胞内完整mRNA水平同步提高约6—8倍。其增效作用不依赖磷酸键水解，而与核苷酸抑制核酸酶切割、减少mRNA降解密切相关。
研究设计
研究团队构建核苷酸与mRNA共包封的LNP体系，通过多种细胞模型筛选有效组分，并结合非水解核苷酸类似物、凝胶电泳、RT-qPCR及核酸酶活性实验，解析核苷酸对mRNA表达与稳定性的影响。同时，通过细胞摄取和内体逃逸实验评估递送过程，并在小鼠模型中验证体内表达效果及急性安全性。
技术路线
01 制备核苷酸共载LNP，体外筛选增效组分
02 细胞与分子实验解析翻译增强机制
03 酶学实验验证mRNA抗降解保护效果
04 动物模型评估体内药效与安全性
研究结果
01 核苷酸共递送显著提升mRNA蛋白表达
为评估不同核苷酸对mRNA表达的影响，研究团队使用pT7[mKate2]质粒（来自VectorBuilder）作为模板，通过体外转录制备mKate2报告mRNA，并将其与不同核苷酸共同包装于LNP中，在胰腺癌、结直肠癌等多种细胞模型中进行筛选。
结果显示，ATP和GTP与mRNA共包封后，能够显著提高LNP介导的报告蛋白表达水平，最高提升约13倍。研究还发现，核苷酸共递送能够降低达到相近蛋白表达水平所需的mRNA用量。不过，ATP与GTP联合使用并未观察到进一步的协同增益，说明增加核苷酸组分的种类，并不必然带来更高的蛋白表达水平。
图1 经LNP共递送核苷酸可增强mRNA表达
02 同一LNP内部共包封是实现显著增效的关键因素
既然ATP和GTP能够提高mRNA表达，那么，直接向细胞中补充核苷酸，是否也能达到相同效果？
为验证这一问题，研究团队设置了不同递送方式的对照实验：一组将游离ATP或GTP直接加入培养体系；另一组将mRNA与核苷酸分别包封于不同LNP颗粒中，再共同给药；同时以二者在同一LNP中共包封作为比较。结果显示上述两种处理均无法复刻共包载体系的表达提升效果，这表明核苷酸与mRNA在同一LNP中共同递送，是实现显著增效的关键因素。
Native凝胶迁移实验并未观察到mRNA和ATP/GTP形成稳定结合的大分子复合物，说明该效果不依赖二者长久的分子相互作用，更可能是LNP解体前后创造了短暂的局部微环境保护了mRNA。
图2 核苷酸必须与mRNA共包封在同一LNP内才能增强mRNA表达
03 核苷酸如何提高mRNA表达？关键可能在于减少RNA降解
ATP和GTP究竟通过什么机制增强mRNA表达？
研究团队首先的猜测是来自ATP/GTP水解释放的能量。ATP和GTP是细胞内重要的核苷酸，参与多种能量依赖性的生物化学反应。研究团队对比了可水解核苷酸及其非水解类似物的增效能力。结果发现AMP‑PNP、GMP‑PNP这类磷酸键不可断裂的类似物，依旧可以达到和ATP、GTP相近的翻译增强效果，该结果说明翻译提升效应不依赖磷酸键水解释放能量，传统的ATP/GTP供能机制不足以解释这一现象。
图3 可水解与非水解ATP/GTP类似物对LNP介导mRNA表达的影响
这一发现提示，核苷酸在mRNA递送体系中的作用，可能不只是传统意义上的能量供给。非水解型类似物仍保留增效能力，意味着核苷酸的分子结构及其与周围生物分子的相互作用，同样可能影响mRNA的最终表达水平。
排除ATP供能的猜想后，研究团队进一步探讨是否源于mRNA得到了更好的保护。
RT‑qPCR检测显示核苷酸共递送组胞内完整mRNA提升6‑8倍，与蛋白表达变化趋势保持一致。体外生化实验证实核苷酸能够抑制核酸酶对RNA的切割，保护作用不依赖mRNA的5’帽与3’poly(A)尾，防护从胞外阶段就已启动，属于局部瞬时保护。细胞摄取、内体逃逸变化幅度微弱，不足以解释翻译大幅提升，并非核心增效原因。
图4 核苷酸共递送对胞内mRNA丰度、RNA稳定性及核酸酶切割活性的影响
研究团队进一步评估了细胞摄取与内体逃逸情况。核苷酸共递送并未引起足以解释蛋白表达大幅提升的相应变化，说明二者并非主要增效因素。
图5 核苷酸共递送对LNP细胞摄取及内体逃逸的影响
上述结果将研究关注点进一步指向mRNA的稳定性。尽管核苷酸共递送没有显著改善细胞摄取与内体逃逸，但其对RNA降解的抑制作用，为蛋白表达水平的提升提供了重要解释。
这也提示，mRNA递送体系的优化，不仅要关注有多少mRNA能够进入细胞，还需要考虑有多少mRNA能够保持完整并最终参与翻译。通过减少核酸降解、提高mRNA的有效保留量，同样有望改善递送体系的蛋白表达效果。
04 核苷酸结构影响核酸酶抑制活性
为进一步明确核酸保护作用与分子结构之间的关系，研究团队还比较了不同核苷酸的结构特征及其RNase A抑制活性，发现多磷酸基团以及核糖上的2’-羟基，对最大化抑制核酸酶活性起到重要作用，而核苷碱基类型产生的影响相对有限。且核苷酸体外抑制核酸酶的强弱和细胞实验中翻译增强的效果并不能完全对应，这也提示抑制核酸酶降解仅仅是整个增效机制当中的其中一部分，但并非唯一原因，其他影响mRNA稳定性及翻译过程的作用仍有待进一步研究。
05 体内验证：核苷酸共包封增强小鼠体内mRNA表达
为验证该策略的体内应用潜力，研究团队使用小鼠肌肉注射模型，将编码荧光素酶的mRNA-LNP制剂注入小鼠体内，通过活体生物发光成像检测报告蛋白表达情况。结果显示，相比普通LNP，L-ATP、L-GTP组的报告基因信号明显上调，其中L-GTP组的表达提升效果最为突出。离体脏器成像进一步确认表达主要集中在注射部位肌肉，其他脏器仅有少量本底水平的表达信号。
图6 核苷酸共包封在小鼠肌注后增强荧光素酶mRNA的翻译
06 不同核苷酸的安全性表现有何差异？
为验证体内安全性，研究团队通过小鼠尾静脉注射不同LNP制剂，并在给药24小时后采集样本，检测血常规、肝肾功能、炎症因子等主要脏器组织病理学指标的变化。
结果显示，与普通LNP相比，ATP共递送组的部分肝功能及炎症相关指标有所改善，表现出一定的急性耐受性优势；GTP共递送组的部分炎症相关指标仍相对较高。与此同时，各组肝、脾、肾组织病理学检查均未观察到明显的器质性损伤。
图7 核苷酸共包封LNP静脉给药后的急性安全性评价
广医与南科大团队的这项研究，在核苷酸共递送策略的基础上，进一步揭示了核酸保护在表达增强过程中的重要作用。研究发现，相比单纯优化递送材料或核酸序列，通过共递送功能性小分子减少mRNA降解、提高其有效利用率，同样有望成为优化mRNA-LNP制剂的重要方向。
不过，当前研究主要基于报告基因的细胞和小鼠实验，其表达增强效果能否在不同LNP配方、治疗性mRNA及疾病模型中得到验证，以及长期安全性和重复给药表现如何，仍需要进一步研究的验证。
参考文献：
[1] Li X, et al. Nucleotide co-delivery modulates intracellular fate of LNP-delivered mRNA to enhance translation. Nano Today. 2027;72:103209. Published online October 12, 2026. DOI: 10.1016/j.nantod.2026.103209.
[2] Ma Y, et al. A Unified Strategy to Improve Lipid Nanoparticle Mediated mRNA Delivery Using Adenosine Triphosphate. Journal of the American Chemical Society. 2023;145:19800–19811. DOI: 10.1021/jacs.3c05574.
[3] Ma Y, et al. A Metabolite Co-Delivery Strategy to Improve mRNA Lipid Nanoparticle Delivery. ACS Applied Materials & Interfaces. 2025;17:26202–26215. DOI: 10.1021/acsami.4c22969.
