Nature Nanotech.后，董一洲联合Langer院士等人再发Nature Reviews Materials！
奇物论
2021-08-11
信使 RNA (mRNA) 是在 1947-1961年间通过开创性研究发现的，是基因和蛋白质之间的瞬时中间体。到 1980 年代后期，对 mRNA 结构和功能的研究导致了体外转录 (IVT) mRNA 的发展。自 1990 年第一次概念验证动物研究以来，已经探索了许多策略来改善 IVT mRNA 的不稳定性和免疫原性。此外，药物递送系统的进步加速了 mRNA 疗法的临床前开发，为 mRNA 作为一种新型药物提供了基础。图|mRNA 和脂质纳米颗粒开发的一些关键里程碑的时间表mRNA 已在一系列应用中显示出治疗潜力，包括病毒疫苗、蛋白质替代疗法、癌症免疫疗法、细胞重编程和基因组编辑。为了达到治疗效果，mRNA分子必须到达特定的靶细胞并产生足够的目标蛋白质。然而，靶向递送和内体逃逸对于 mRNA 递送系统仍然具有挑战性，这也就突出了对安全有效的 mRNA 递送材料的需求。已经开发了多种用于mRNA递送的材料，包括脂质、类脂材料、聚合物和蛋白质衍生物。特别是，脂质纳米粒已被彻底研究并成功进入临床，用于输送小分子、siRNA药物和mRNA。值得注意的是，两种已获批的2019年冠状病毒（COVID-19）疫苗，mRNA-1273和BNT162b，是使用脂质纳米粒传递抗原mRNA。许多其他脂质纳米颗粒-mRNA配方已经开发出来，并正在进行临床评估，用于预防和治疗病毒感染、癌症和遗传疾病。鉴于此，美国俄亥俄州立大学董一洲教授、麻省理工学院Robert Langer院士、Moderna公司的首席医学官Tal Zaks等人近日在Nature Reviews Materials简要概述了用于mRNA递送的代表性脂质纳米粒，并描述了脂质纳米粒-mRNA制剂临床前开发的关键步骤，包括克服生理障碍、不同给药途径、制造和安全性。最后，研究人员还强调了脂质纳米粒-mRNA配方在临床研究中的重要实例，并为脂质纳米粒和mRNA治疗提供了未来的前景。
脂质是两亲性分子，包含三个结构域：极性头基、疏水尾区和两个结构域之间的连接体。当前，阳离子脂质、可电离脂质和其他类型的脂质已被探索用于mRNA传递。阳离子脂质的头部基团带有永久正电荷，阳离子脂质DOTMA、DOTAP和DDAB等均被研究用于mRNA的递送。可电离的脂质在低 pH 值下质子化，这使它们带正电荷，但在生理 pH 值下仍保持中性。可电离脂质的 pH 敏感性有利于体内 mRNA 的传递，因为中性脂质与血细胞阴离子膜的相互作用较少，因此提高了脂质纳米颗粒的生物相容性。当被困在核内体中，其中的 pH 值低于细胞外环境，可电离脂质被质子化，因此带正电荷，这可能会促进膜不稳定并促进纳米颗粒的核内体逃逸。除了阳离子或可离子化脂质外，脂质纳米颗粒-mRNA 制剂通常包含其他脂质成分，例如磷脂、胆固醇或聚乙二醇 (PEG) 功能化脂质 。胆固醇可以通过调节膜完整性和刚度来增强颗粒稳定性。PEG-脂质可以对脂质纳米颗粒的性质产生多种影响，包括粒径、电位和稳定性。图|用于 mRNA 递送的脂质和脂质衍生物的化学结构为了在体内发挥作用，脂质纳米粒-mRNA配方需要克服多种细胞外和细胞内障碍。首先，需要保护mRNA不受生理液中核酸酶降解的影响。其次，该制剂应避免系统给药后MPS的截留和肾小球滤过的清除。第三，脂质纳米粒-mRNA系统需要到达靶组织，然后被靶细胞内化。最后，mRNA分子必须逃离内体到达细胞质，在那里发生翻译。给药途径可以极大地影响脂质纳米颗粒-mRNA 制剂的器官分布、表达动力学和治疗结果。给药途径通常由纳米颗粒的特性和治疗适应症决定。静脉内 (i.v.) 给药后，许多脂质纳米颗粒会在肝脏中积聚。肝脏天生具有分泌蛋白质的能力，因此，静脉注射脂质纳米粒-mRNA制剂可用于产生遗传性代谢和血液疾病中缺失的蛋白质，或产生抗体以中和病原体或靶向癌细胞。然而，静脉注射给药还可能导致脂质纳米颗粒在全身多个淋巴结中积聚，这可能会增加对 mRNA 疫苗的免疫反应。例如，静脉注射与局部注射相比，mRNA 疫苗的施用已被证明可诱导更强的抗原特异性细胞毒性 T 细胞反应。mRNA 疫苗在体内的广泛分布可能会导致全身不良反应，因此，可能有必要开发脂质纳米颗粒，以将 mRNA 疫苗靶向递送到具有丰富免疫细胞的组织中。局部也可以引发全身反应；例如，皮内（id）、肌内（im）和皮下（sc）注射通常用于疫苗接种，因为皮肤和肌肉中存在常驻和募集的抗原呈递细胞（APC），它们可以内化和处理mRNA-编码的抗原。此外，这些组织的血管和淋巴管帮助 APC 和 mRNA 疫苗集中引流淋巴结以刺激 T 细胞免疫。疫苗接种也可以通过鼻内给药来完成。此外，编码免疫刺激剂的脂质纳米颗粒-mRNA 制剂可以通过瘤内注射直接递送到肿瘤组织中，以促进局部促炎环境，从而导致免疫细胞激活和随后引发全身抗癌反应。最后，在子宫内施用脂质纳米颗粒-mRNA 制剂可用于将 mRNA 传递给小鼠胎儿，实现胎儿肝脏、肺和肠道中的蛋白质表达。图|脂质纳米颗粒-mRNA 制剂的递送障碍和给药途径脂质纳米颗粒-mRNA 制剂的性质需要仔细表征，并考虑用于所需的应用。脂质纳米粒–mRNA制剂作为疫苗可能需要不同于治疗剂的特性，以实现最佳治疗效果。要将脂质纳米颗粒-mRNA 系统从实验台转化为床边，除了储存条件和安全性等考虑因素外，良好生产规范 (GMP) 对确保药物质量和治疗效果至关重要。脂质纳米颗粒-mRNA 制剂的特征已在临床前和临床上进行了彻底的研究，这使得 COVID-19 脂质纳米颗粒-mRNA 疫苗的快速开发和临床应用成为可能。许多其他脂质纳米颗粒-mRNA 制剂正在临床试验中用于治疗传染病、癌症和遗传疾病。此外，基于 mRNA 的细胞重编程、组织再生和基因组编辑已在临床前研究中显示出治疗潜力。图|脂质纳米颗粒-mRNA 制剂作为 COVID-19 疫苗综上所述，目前已经探索并优化了多种脂质纳米颗粒用于 mRNA 递送，为未来 mRNA 疗法的设计提供了有价值的信息。基于临床研究的经验，脂质纳米颗粒-mRNA制剂可以进一步改进。例如，提高体内翻译效率、递送效率、器官特异性、以及生物降解性和多功能性。总之，mRNA 在许多临床试验和临床应用中显示出巨大的治疗潜力。下一代脂质纳米颗粒和其他类型递送材料的开发将进一步推动基于 mRNA 的治疗广泛的疾病，并在不久的将来改善医疗保健。
图|针对感染、癌症和遗传疾病的脂质纳米颗粒-mRNA 疗法的代表性临床试验
Hou, X., Zaks, T., Langer, R. et al. Lipid nanoparticles for mRNA delivery. Nat Rev Mater (2021).https://doi.org/10.1038/s41578-021-00358-0
