颠覆！Nature Nanotech.：先前多数纳米药物可能需要重新验证其潜力！

奇物论

2022-02-11

mRNA、短干扰RNA(siRNA)和反义寡核苷酸已被用于治疗人类疾病。静脉内给药的这些药物的子集需要将核酸递送至患病细胞。迄今为止，FDA批准的 siRNA 药物使用碳水化合物偶联物或脂质纳米颗粒 (LNP)，两者都利用内源性运输途径将 siRNA 递送到肝细胞中。随着药物从小鼠发展到非人类灵长类动物 (NHP) 和人类，这些对促进药物递送的进化保守途径的见解已被证明是有价值的。此外，研究表明，人源化小鼠比野生型小鼠更能预测腺相关病毒在人类细胞中的传递。

这些例子强调了理解改变纳米颗粒输送的基因在临床前物种和人类之间如何变化的价值。然而，还没有研究系统地（也就是说，使用几十种化学性质不同的纳米颗粒）比较LNP在体内跨物种的递送。因此，研究人员检验了三个假设。

1) 首先，研究人员观察肝细胞LNP输送的物种依赖性差异。

2) 其次，NHP给药和人类给药之间的差异将小于小鼠给药和人类给药之间的差异。

3) 第三，对不同物种的肝细胞进行转录组学分析，可以识别与传递差异相关的细胞信号通路。然而，测试这些假设很有挑战性，因为人源化小鼠每只动物要花费几千美元。

为了克服这些问题，佐治亚理工学院James E. Dahlman等人开发了物种不可知性的纳米粒子递送筛选(SANDS)模型。利用这个模型，研究小组通过各种纳米颗粒测试了核酸的传递和吸收，并直接比较了肝脏的小鼠细胞与其人类或灵长类动物细胞之间的差异。成果发表在Nature Nanotechnology上。

SANDS具有这些研究所需的三个特征。

1）首先，它是高通量和体内的。

2）其次，它报告了细胞类型水平的功能性 LNP 传递（在这种情况下，mRNA 翻译成功能性蛋白质）。

3）第三，它与物种无关，因为它不需要 Cre 报告基因或其他基因组 DNA 构建体。这些研究还需要具有人源化和灵长化肝脏的小鼠，以及具有与灵长化和人源化小鼠相同的免疫系统并经历相同细胞移植过程的鼠源化小鼠。

图|表征 SANDS

使用 SANDS，研究人员量化了 89 种化学上不同的 LNP 如何在六种小鼠模型中功能性地传递 mRNA：BL/6、Balb/C、NZB/BlNJ (NZB)、Fah/Rag2/白细胞介素 γ 链 (FRG) 敲除 (KO) 小鼠BL/6 背景与人源化肝脏（人源化）、NHP 肝脏（灵长类化）和鼠类肝脏（鼠源化）。除了量化小鼠、NHP 和人类肝细胞如何预测彼此的递送外，研究人员还确定了对 LNP 的物种依赖性反应。

在该研究中，研究人员堆叠了两种有用的方法：条形码和具有人源化或灵长类化肝脏的小鼠。为了了解纳米粒子的分子组成如何影响它们在体内的旅程和进入细胞，作者使用了 DNA 条形码。每个独特的纳米粒子都带有一个独特的条形码，使他们能够确定其最终目的地。

图|纳米颗粒在小鼠、NHP和人肝细胞中的体内传递

通过使用下一代测序技术，研究小组检查了来自不同器官的细胞是否存在DNA条形码，确定哪些纳米颗粒进入细胞。此外，由于他们的小鼠肝脏既含有小鼠细胞，也含有人类或灵长类动物细胞，因此同一只动物被用来对比不同物种之间纳米颗粒摄取的差异。令人惊讶的是，人类肝细胞的摄取量远远高于小鼠，这揭示了一个关键的生物学差异。在同一只老鼠身上，研究人员还可以观察到未能将核酸输送到动物细胞的纳米颗粒是否也在人类细胞中失败。这种叠加方法可以帮助研究人员避免他们认为动物的失败意味着非人灵长类动物或人类的失败。虽然不知道这些年来有多少纳米颗粒因小鼠特异性效应而被丢弃，但该研究为回答这个问题所做的基础性工作令人鼓舞。

图|转录组学研究揭示了对 LNP 的物种依赖性反应

除了观察摄取的差异外，作者还使用内部控制的比较转录组分析评估了混合肝脏中人和小鼠细胞之间的差异基因表达。值得注意的是，对纳米颗粒摄取很重要的小窝蛋白基因在人体细胞中的含量较低，而同样以摄取而闻名的网格蛋白基因在人类细胞中意外上调。鉴于在人类肝细胞中观察到更高的摄取，这可能意味着过去的小鼠研究实验掩盖了一种有价值的网格蛋白介导的促进作用，该作用可用于人类治疗。这一发现可能为纳米颗粒优化提供了一个新的过程，这是第一次动物筛选只在人源化小鼠中进行。

图|炎症基因影响多个小鼠品系的mRNA传递

这项本质上有趣的研究证明了一种整合各种强大方法的能力，以开始解决动物和人类之间的转化差距。随着这类系统的不断发展，并有望扩展到包括肝脏以外的器官，我们可能能够以快速、合理的方式有效地筛选过去十年开发的纳米颗粒，从而更好地预测人类的表现以降低临床试验的风险。

参考文献：

1.Hatit, M.Z.C., Lokugamage, M.P., Dobrowolski, C.N. et al. Species-dependent invivo mRNA delivery and cellular responses to nanoparticles. Nat. Nanotechnol.(2022).

https://doi.org/10.1038/s41565-021-01030-y

2.Khan, O.F. Nucleic acid delivery differences across species. Nat. Nanotechnol.(2022).

https://doi.org/10.1038/s41565-021-01039-3