导读:脂质纳米颗粒 (LNP) 在商业疫苗、临床阶段疫苗/治疗药物中被开发用作 RNA 治疗的非病毒递送载体。然而,基于LNP递送的RNA疗法具有肝脏趋向性,限制了其广泛的临床应用。
鉴于RNA在蛋白替代和基因编辑的应用潜质,其在遗传性肺病治疗方面的应用备注期待,如囊性纤维化、纤毛运动障碍和α -1抗胰蛋白酶缺乏症等。尽管RNA-LNP在全身给药后能够通过血流到达肺内腔,但在脾脏或肝脏中的脱靶转染会增加不良反应的风险。因此,肺靶向RNA递送策略的开发至关重要。
本期文章菌菌汇总了肺靶向LNP的开发进展,包括两个主要方向:① 全身给药条件下增强LNP的特异性递送,如使用基于永久性阳离子脂质的5组分LNP、含多尾可电离磷脂 (iPhos)的4组分LNP、含酰胺系列可电离脂质的4组分LNP;② 雾化给药条件下增强LNP-RNA的稳定性,如改善PEG脂质占比、添加赋形剂等策略。
01
永久性阳离子脂质-LNP
2020年,得克萨斯大学西南医学中心Daniel J. Siegwart课题组在Nature子刊Nat Nanotechnol(影响因子38.1)发表了肝外靶向SORT LNP的开发策略。通过在常规四组分LNP中添加补充成分(称为 SORT 分子)可以精准改变体内 RNA 递送位置。研究人员证实了,利用SORT 分子的百分比和生物物理特性,能够工程化设计LNP,实现RNA的特异性递送。
研究人员选择了一种永久性阳离子脂质1,2-二油酰-3-三甲基铵-丙烷 (DOTAP)用于SORT LNP的开发【永久性阳离子脂质定义为带正电荷、且不解离或pKa>8的阳离子脂质】。结果显示,不含DOTAP的LNP-RNA主要富集在肝脏中;随着 LNP中DOTAP 摩尔比例的增加,产生的目的蛋白表达位置逐渐从肝脏移动到脾脏、然后到肺部,且DOTAP摩尔比为50%时最适合用于肺部递送。
此外,研究还通过CRISPR/Cas系统证明,由50% DOTAP组成的SORT LNP能够精准将Cas9 mRNA/gRNA递送至肺部并实现靶基因的编辑,同时55%DOTAP组成的SORT LNP能够将Cas9蛋白-gRNA复合物(RNP)递送至肺部并实现基因编辑。
此外,研究还评估了另外两种永久性阳离子脂质DDAB或EPC,将其掺入LNP中的表达谱DOTAP。
图示 含永久性阳离子脂质的SORT LNP平台
02
多尾可电离磷脂(iPhos)-LNP
除阳离子脂质外,磷脂也是LNP的重要组分。LNP中最常用的磷脂是 1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱 (DSPC)和 1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺 (DOPE)。二者均拥有1 个在生物体中恒定不可逆的两性离子和两个疏水尾巴,缺乏可操纵的化学手柄。
2021年,Siegwart课题组继续在Nature Materials(影响因子37.2)期刊发表了一种保留四组分LNP的RNA靶向递送策略,他们筛选得到一种性能最佳的多尾可电离磷脂 (iPhos)9A1P9,其特征为包含一个可电离胺、一个磷酸基团和三个疏水尾部。与DOPE 和 DSPC 相比,iPhos 9A1P9的体内功效高出 40 ~ 965 倍。
此外,结合上述研究中使用的永久性阳离子脂质,配制得到肺特异性9A1P9-DDAB iPLNP,9A1P9-DDAB iPLNP 有效转染~34% 的所有内皮细胞、~20% 的所有上皮细胞和 ~13% 的免疫细胞,且能够递送Cas mRNA/gRNA至肺部并诱导肺部特异性基因编辑。
图示 基于多尾可电离磷脂 (iPLNP)的LNP 组分
03
酰胺系列可电离脂质-LNP
2022年,塔夫茨大学生物医学工程系研发人员在PNAS发表了一种新的肺靶向LNP开发策略。
LNP中可电离脂质是一种尾部含酯键的连接物,他们发现,将可电离阳离子脂质尾部的酯键替换为酰胺键(类脂分子113-N16B),能够将mRNA的递送位置从肝脏转移至肺部。
肺淋巴管平滑肌瘤病 (LAM)是一种罕见的遗传性肺病,其特征是由结节性硬化症复合体 1 或 2(Tsc1 或 Tsc2)基因的失活突变引起的异常 mTORC1 过度活跃。研究人员借助LAM 临床前模型,表明了113-N16B LNP成功将小鼠Tsc2 mRNA递送至肺部,并恢复其生物学功能,在减轻肿瘤负荷方面取得了显著的治疗效果。
这项研究表明,通过将LNP中脂质接头的酯键( O 系列)更改为酰胺键( N 系列),成功将 mRNA的递送谱从肝脏转移到肺,并在临床前模型中验证了其治疗肺部疾病的潜力。
图示 酰胺系列可电离脂质-LNP
04
LNP-RNA雾化稳定性改善
RNA-LNP的吸入给药是直接递送到肺部的有效途径。然而,雾化器产生的强大剪切力易影响RNA-LNP药物的稳定性和递送效率。因此,吸入给药的重点是优化吸入装置与纳米颗粒的相容性或抵抗剪切力。
Lokugamage等人报告了较高的PEG脂质占比,能够保护LNP免受雾化作用干扰,有利于mRNA在肺中的高效递送和表达。也有研究表明,优化PEG脂质的摩尔浓度和甾醇结构可以稳定雾化的mRNA-LNP,从而促进囊性纤维化肺中mRNA的表达。还有报道称,研究人员通过在雾化过程中添加赋形剂、优化LNP配方,从而增加电荷来抵抗雾化过程中LNP的聚集。
近期,上海交大章雪晴教授作为通讯作者在Nature Communications发表最新研究,他们提出了“LOOP”平台,用于开发具有卓越抗剪切力和高表达的 LNP。经LOOP平台优化的LNP具有高辅助脂质占比、酸性透析缓冲液和赋形剂辅助雾化缓冲液,在肺部表现出卓越的稳定性和增强的 mRNA 表达。这一递送平台能够将编码 IL-11 单链片段可变 (scFv) 的 mRNA有效递送至雄性小鼠的肺部,抑制肺部纤维化。该mRNA-LNP制剂在抑制成纤维细胞活化和细胞外基质沉积方面优于吸入和静脉注射IL-11 scFv(蛋白)。
05
总结
在各种mRNA递送载体系统中,脂质纳米颗粒(LNP)是临床上最先进的。然而目前mRNA/LNP 疗法的临床试验主要针对肝脏疾病,但mRNA疗法的潜力远不止于此。
为充分释放 mRNA/LNP 疗法的前景,目前的研究热点在LNP的肝外器官递送方面。本篇文章汇总了肺靶向LNP的开发进展,有望为肺部疾病的治愈提供可能。
参考文献
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