Robert Langer等Nature Biotech.：杂环脂质mRNA疫苗激活免疫细胞提高抗肿瘤功效

NanoLabs

2019-10-31

第一作者：Lei Miao, Linxian Li, Yuxuan Huang.

通讯作者：Daniel G. Anderson

通讯单位：麻省理工大学

研究亮点：

1. 在一天之内使用3-CR快速合成了包含1,000多种化合物的大型脂质库。

2. 发现含有环状氨基基团（特别是哌啶六元环基团）头部结构的脂质能够作为高效的mRNA递送载体。

3. 环状脂质通过STING通道激活强烈的免疫反应。

研究背景：

接种mRNA疫苗是预防和治疗癌症的一个非常有前景的策略。与DNA疫苗相反，mRNA疫苗接种可使编码蛋白的瞬时表达，从而避免了与插入诱变相关的并发症。mRNA疫苗可以被专门设计为编码多种肽和蛋白质结构，从而表达整个抗原。由于主要组织相容性复合物（MHC）I类和II类呈递的抗原表位数量较多，mRNA疫苗可能会比肽抗原疫苗诱导要强的细胞和体液反应。

在过去的十年中，许多临床试验都在探索mRNA疫苗的应用。然而，临床转译主要受到两个挑战的限制：（1）mRNA的催化水解导致细胞内蛋白表达不足；（2）抗原呈递细胞（APCs）的抗原装载量和成熟度不足。为了提高mRNA的传递和体内蛋白质的表达，脂质体和基于聚合物胶束的制剂正在开发中，包括由类脂质材料制成的纳米颗粒载体。

设计一种能够平衡抗原特异性免疫细胞的成熟和激活，同时防止免疫系统的全身性激活的疗法仍然具有挑战性。越来越多的证据表明，与I型干扰素（IFNs）靶向刺激相关的佐剂效应可能更有利于适应性免疫反应。可以激活IFNs分泌的途径包括Toll样受体（TLR），视黄酸诱导型基因I样受体（RLRs）和干扰素基因刺激因子（STING）。据报道，这些途径的激活与人类癌症患者减缓病情的进展和更好的临床效果相关。目前，许多小分子STING激动剂正在临床试验中，然而，由于这些分子的胞质递送却受到挑战。

成果简介：

有鉴于此，麻省理工大学Robert Langer教授和Daniel G. Anderson教授团队对可同时介导mRNA传递并通过STING途径提供靶向佐剂刺激的脂质进行系统研究。研究团队通过使用一步法三组分反应（3-CR）开发合成多样性的脂质结构，并发现具有环状氨基头部基团的脂质可激活STING途径。另外，将可激活STING的环状脂质与mRNA结合以配制脂质纳米颗粒（LNP），来改善细胞内在化，从而进一步改善STING途径的细胞内激活。

 图1. 包裹mRNA的LNP的示意图

要点1：脂质库的设计与合成

研究人员设计了一种以异氰化物介导的一步法三组分反应（3-CR），以同时偶联伯或仲胺、酮和异氰化物或异氰化物衍生物。合成出的脂质结构由烷基和亚烷基酮作为尾部，异氰酸酯基作为连接部和胺基作为头组成。使用该3-CR方法简单而快速地合成大量（1080种）且多样的材料库，并以此来测试mRNA的递送效率。

 图2：脂质库的设计与合成

要点2：脂质介导的mRNA的体内外传递

有效的mRNA疫苗接种既需要有效的细胞内抗原表达，又需要随后的免疫细胞激活以产生强烈的免疫应答。研究人员首先通过将荧光素酶mRNA（mLuc）载到LNP中并比较细胞系中萤光素酶蛋白的表达来评估脂质库的mRNA递送功效。结果表明，LNP在BMDC，BMDM和HeLa三种细胞中的递送效率相似，并确定A2-Iso5-2DC18和A12-Iso5-2DC18是这三种细胞类型中最有效的mRNA传递载体。

在体内实验中，结果与体外数据一致，结果显示更长的不饱和烷基尾部增强了递送功效。再根据其异氰酸酯亚结构对2DC18脂质进行了进一步分类。结果表明，异氰基乙酸酯脂质（丁基，乙基或甲基）增强了mRNA的递送。因此，研究人员将含有异氰基乙酸乙酯和2DC18酮的脂质定为脂质mRNA传递的最佳的亚结构

 图3. 脂质介导的mRNA的体内外传递

要点3.脂质具有不同的抗肿瘤免疫反应

紧接着，研究人员在皮下注射后测试了最佳的脂质（A2-Iso5-2DC18和A12-Iso5-2DC18，简称A2和A12）的疫苗接种潜力。发现载有A2和A12的mLuc LNP均可在局部注射部位和引流淋巴结中诱导蛋白质表达，并能够转染中央APCs细胞。然后，在测试了mRNA脂质递送系统的适应性免疫应答和抗肿瘤功效结果中，尽管A2和A12 LNP对局部淋巴结和APCs表现出相似的mRNA递送功效，但只有A2 LNP系统能够诱导强烈的肿瘤免疫反应。

 图4. 脂质具有不同的抗肿瘤免疫反应

要点4：探索刺激免疫的脂质结构

研究人员由上述实验结果探讨脂质设计中的结构与功能关系，特别是研究了头部基团的性质（杂环与线性）是否会影响脂质相关的免疫原性。研究人员用2DC18和异氰基乙酸乙酯基团生成了第二个脂质库，但改变了胺组分以包括直链叔胺或杂环叔胺，来配制具有相似的粒径、包封效率和可比的mRNA传递效率的LNP，并比较了mOVA疫苗接种后IFN-γ的表达，结果表明，与含有线性叔胺的脂质（线性脂质）相比，含有杂环基的脂质（环状脂质）明显促进了IFN-γ分泌。其他相关实验也表明环状脂质在刺激免疫反应上明显优于线性脂质。

图5. 探索刺激免疫的脂质结构

要点5：环状脂质通过STING刺激适应性免疫细胞

前述实验发现用A18或A21配制的第二代LNP可显著提高递送效率，并在几种关键的免疫细胞中诱导强烈的抗原表达。研究人员继续测试第二代LNP直接激活APC的能力，实验表明APCs的活化不仅由mRNA触发，而且由此类环状脂质的独特结构特征也能触发。在体内实验也观察到类似的趋势。

研究人员对脂质进行刺激的通道进行研究，在任何测试的模型中发现，与线性LNP均无法引发强烈的STING-I型IFN激活和APC成熟相反，环状LNP具有特异的佐剂效应，并由STING途径介导。

图6.环状脂质通过STING刺激适应性免疫细胞

要点6：环状脂质-mRNA疫苗诱导强烈的抗肿瘤反应

研究人员最终将A18鉴定为最佳的环状脂质。该脂质促进有效的mRNA蛋白表达，并诱导部分通过STING激活介导的强免疫应答。接下来，研究人员继续研究环状脂质-mRNA疫苗能否诱导强烈的抗肿瘤反应，同样通过检测各种表达因子，都证实这些LNP可以诱导强烈的适应性免疫应答。同时对LNP进行体内毒性检测，这些数据进一步证明，这些环状脂质系统可用于安全有效的抗肿瘤免疫。

 图7. 环状脂质-mRNA疫苗诱导强烈的抗肿瘤反应

小结：

综上所述，该项研究确定了一类可通过佐剂辅助的mRNA疫苗接种的环状脂质，能促进了有效的mRNA传递和具有强烈的抗肿瘤功效。期望这些材料可以用作具有多种抗原的疫苗系统，包括肿瘤相关抗原，个性化多表位抗原以及细菌和病毒蛋白，并且可以为疫苗接种提供一种通用方法。

参考文献：

Miao, L.; Li, L.; Huang, Y.; Delcassian, D.; Chahal, J.; Han, J.; Shi, Y.; Sadtler, K.; Gao, W.; Lin, J.; Doloff, J. C.; Langer, R.; Anderson, D. G., Delivery of mRNA vaccines with heterocyclic lipids increases anti-tumor efficacy by STING-mediated immune cell activation. Nature Biotechnology 2019, 37 (10), 1174-1185.

https://doi.org/10.1038/s41587-019-0247-3

课题组介绍

Daniel G. Anderson是Samuel A. Goldblith应用生物学教授，化学工程和医学工程与科学研究所副教授，也是麻省理工学院Koch综合癌症研究所的成员。他获得了加州大学戴维斯分校的分子遗传学博士学位。在麻省理工学院，他率先使用机器人方法来开发用于药物输送和医疗设备的智能生物材料。他使用的快速合成，配制，分析和对大量生物材料库进行生物学评估的首创方法用于医疗设备，细胞疗法和药物递送。特别是，他开发的先进的药物输送系统为纳米颗粒药物输送，非病毒基因疗法，siRNA输送和疫苗提供了新方法。共发表了超过230多篇论文、专利和专利申请。这些专利已获得制药、化学和生物技术公司的大量许可，以及许多产品已商业化或正在临床开发。