文｜觀察未來科技
作為新冠mRNA新冠疫苗的載體，mRNA 脂質納米顆粒（LNP）已經獲得了巨大的成功?？梢哉f，基于mRNA的新冠疫苗之所以能夠在新冠病毒基因組序列發(fā)布后不到一年里就獲得了成功，正是因為研究人員在脂質納米顆粒（LNP）遞送技術上長達幾十年的努力。
在mRNA新冠疫苗作用的過程中，脂質納米顆粒不僅起到保護mRNA，幫助它們進入人體細胞的作用，還協(xié)助它們指導細胞生成病毒蛋白?？梢哉f，沒有脂質納米顆粒就沒有mRNA新冠疫苗。
當然，脂質納米顆粒的終點并不僅僅是mRNA新冠疫苗，現在，科學家們正在嘗試將脂質納米顆粒遞送到肺部，創(chuàng)造更多醫(yī)學治療的可能。
LNP的過去和現在
脂質是一種常見的生物分子，比如，脂肪和膽固醇等都是脂質。顧名思義，納米脂質顆粒就是一種基于脂質構建的納米顆粒，LNP的直徑通常在20-200納米之間。LNP的誕生和發(fā)展已經有了一段相當長的時間。
上世紀80年代，英屬哥倫比亞大學的Pieter Cullis教授在一次研究中意外發(fā)現，抗癌藥物可以擴散并停留在脂質體中，而且這些脂質體在注射到患癌癥動物體內后會穿過腫瘤脈管系統(tǒng)進入細胞并將藥物釋放出來。其中，脂質體是由磷脂雙層制成的中空球形囊泡，細胞膜的基本結構也是磷脂雙分子層，因此脂質體具有很好的生物相容性。
Cullis團隊最初希望利用脂質體把一些有毒的抗癌藥物安全地遞送到腫瘤中，后來，在90年代中期，他們開始嘗試利用脂質體遞送更大的分子，如核酸藥物。
彼時，遺傳學的研究如火如荼，利用核酸藥物從基因水平開發(fā)疾病的治療方法成為當時流行的研究方向。然而，由于核酸是帶負電的，天然脂質也都帶負電，這意味著，用傳統(tǒng)的脂質體向細胞內遞核酸顯然是行不通的，換言之，想要解決這個問題需要向脂質體中添加帶正電荷的脂質來平衡帶負電荷的核酸。然而，自然界中并沒有陽離子脂質，而且?guī)д姷闹|毒性很大，會將細胞膜撕裂。
在這樣的情況下， Cullis團隊開發(fā)出了一種在特定條件下才帶電的新型脂質，這種脂質在酸性（低）pH值的環(huán)境下帶正電，此時能與帶負電的核酸很好地結合，但在血液中呈中性，能減少陽離子脂質的毒性作用。
并且，當使用微流體將溶解在乙醇中的脂質與溶解在酸性緩沖液中的核酸混合時，脂質與核酸能自發(fā)形成LNP。
LNP能通過內吞作用被細胞吸收，并且脂質在低pH值下具有可電離性，再通過內體逃逸將其所遞送的藥物釋放到細胞質中。 此后，經過不斷地優(yōu)化，LNP逐漸應用在多種核酸藥物的遞送中。今天，LNP已經被廣泛應用于藥物和基因傳遞，尤其是在基因編輯、疫苗和腫瘤治療等領域。
我們可以將LNP看作一個小巧的塑料球。就像一個小球可以裝載許多不同的東西，LNP也可以裝載多種不同的藥物、基因或其他治療物質。這個球的表面由多種不同的脂質分子構成，這些脂質分子可以被設計成特定的形狀和大小，以實現更好的藥物傳遞和治療效果。因為LNP的大小與生物細胞相近，它們可以更容易地穿過細胞膜進入細胞內部，將藥物或基因釋放到目標細胞中。
近年來，經過不斷地優(yōu)化，LNP逐漸應用在多種核酸藥物的遞送中。2018年，FDA批準了第一款使用LNP遞送的核酸藥物patisiran，這是一款RNA干擾療法，用于治療轉甲狀腺素蛋白家族性淀粉樣多發(fā)性神經?。═TR-FAP），這也是FDA批準的第一款siRNA藥物。
mRNA疫苗下的LNP復興
mRNA新冠疫苗的成功研發(fā)和應用，不僅是LNP的一次技術突破，也帶來了LNP遞送技術的“復興”。
作為一種新型疫苗，mRNA疫苗的基本原理是利用人體細胞的自然機制，將特定病原體的mRNA序列傳遞給人體細胞，使細胞產生與該病原體相對應的抗原蛋白，從而誘導人體產生針對該病原體的免疫反應。
mRNA疫苗通常包含兩個主要組成部分：mRNA序列和載體。mRNA序列是用來編碼一種病原體的蛋白質，這種蛋白質能夠誘導人體免疫系統(tǒng)產生對該病原體的免疫反應。載體則是用來包裝和保護mRNA序列，并將其傳遞到人體細胞內的物質。LNP就是一種常用的載體技術，其基本原理是將mRNA序列包裝在一層脂質納米粒子中。這些脂質納米粒子通常由幾種不同的脂質和其他化學物質組成，可以通過特定的化學反應組裝成球形結構，其中mRNA序列被包裹在球內。這種結構可以保護mRNA序列不被降解，同時可以增加它們被人體細胞攝取的效率。
當LNP載體被注射到人體內時，它們會被攝取到特定的細胞中，并釋放出mRNA序列。人體細胞會使用這些mRNA序列來合成病原體的蛋白質，這些蛋白質會被細胞表面的MHC分子展示出來，并被人體免疫系統(tǒng)識別為外來物質，從而引發(fā)免疫反應。
而正是基于LNP技術的突破，mRNA新冠疫苗才得以成功研發(fā)。要知道，mRNA新冠疫苗的研發(fā)必須要克服重重障礙：mRNA疫苗中的mRNA編碼著新冠病毒表面的抗原蛋白，如果能夠與人體細胞內負責生產蛋白的核糖體相結合，就能夠“指揮”核糖體生成病毒蛋白。
然而，mRNA是一種非常脆弱的分子，在我們的日常環(huán)境和身體中有很多酶能夠迅速將它們降解，這是將mRNA遞送到細胞內部需要解決的第一個障礙。而且，mRNA鏈是一個帶有負電荷的長鏈大分子。在人體的細胞表面有一層也帶有負電荷的細胞膜，mRNA分子沒法輕易穿過細胞膜進入細胞內部。這些障礙也是mRNA技術早期開發(fā)時，很多科學家認為它不可能成功的原因。
基于此，研究人員在LNP的基礎山，開發(fā)了一種被稱為“可離子化的脂質分子”。這種經過改變的LNP的極性隨著pH值的變化會改變，在低pH值的環(huán)境中，它攜帶正電荷，這讓它們可以與mRNA形成復合體，起到穩(wěn)定mRNA的作用。然而在生理pH值時，它是中性的，這減少了它的毒副作用。
在LNP的外圍，還包裹著受到聚乙二醇修飾的脂質分子（PEGylated lipid），聚乙二醇（PEG）的修飾具有多種功能，它能夠防止LNP聚集在一起，控制LNP顆粒的大小，并且在最初可以起到防止LNP被人體的免疫系統(tǒng)發(fā)現的作用。此外，LNP中還包含著膽固醇和其它輔助脂質分子，協(xié)助構成LNP的完整結構。
LNP在碰到細胞膜時會被細胞吞入到細胞內形成稱為內體的囊泡。在細胞內部，內體的pH值會降低，導致可離子化的脂質分子攜帶正電荷，這會改變LNP的構象，促使mRNA從內體中解脫出來，然后它們就可以與負責生產蛋白的核糖體結合，指導病毒蛋白的合成。
可以說，正是因為LMP，mRNA才能順利進入人體細胞，并指導細胞生成病毒蛋白。而輝瑞/BioNTech和Moderna新冠疫苗的成功又激發(fā)了進一步優(yōu)化LNP技術的熱情。
將基因編輯直接送進肺部？
有效的LNP遞送技術不但在mRNA新冠疫苗開發(fā)中起到了非常關鍵的作用，它還具有遞送mRNA療法、基因療法，以及CRISPR基因編輯療法的潛力。
近日，美國麻省理工學院和馬薩諸塞大學醫(yī)學院的工程師宣布，他們設計了一種新型納米顆粒，可以將其輸送到肺部，在那里它可以傳遞編碼有用蛋白質的信使 RNA。麻省理工學院科赫綜合癌癥研究所和醫(yī)學工程與科學研究所 (IMES) 的教授表示，這是首次向小鼠肺部高效遞送 mRNA。研究人員希望它可以用于治療或修復一系列遺傳疾病，包括囊性纖維化。
幾年前，安德森的實驗室著手設計能夠更好地轉染構成肺部大部分內壁的上皮細胞的顆粒。2019 年，他的實驗室創(chuàng)造了納米顆粒，可以將編碼生物發(fā)光蛋白的 mRNA 傳遞給肺細胞。這些顆粒是由聚合物而不是脂質制成的，這使得它們更容易霧化吸入肺部。然而，需要對這些顆粒做更多的工作，以提高它們的效力并最大限度地發(fā)揮它們的作用。
在此次的新研究中，研究人員著手開發(fā)可以靶向肺部的脂質納米顆粒。這些粒子由包含兩部分的分子組成：帶正電的頭部和長的脂質尾部。頭基的正電荷幫助粒子與帶負電荷的 mRNA 相互作用，它也幫助 mRNA 從細胞結構中逃脫，一旦粒子進入細胞就會吞噬粒子。
同時，脂質尾部結構有助于顆粒穿過細胞膜。研究人員為脂質尾部提出了 10 種不同的化學結構，以及 72 種不同的頭基。通過在小鼠中篩選這些結構的不同組合，研究人員能夠識別出最有可能到達肺部的結構。
在對小鼠的進一步測試中，研究人員表明，他們可以使用這些顆粒來傳遞編碼 CRISPR/Cas9 成分的 mRNA，這些成分旨在切斷基因編碼到動物肺細胞中的停止信號。當停止信號被移除時，熒光蛋白的基因就會打開。測量這種熒光信號可以讓研究人員確定成功表達 mRNA 的細胞百分比。
研究人員發(fā)現，在一劑 mRNA 后，大約 40% 的肺上皮細胞被轉染。兩劑使水平達到 50% 以上，三劑達到 60%。治療肺部疾病最重要的目標是兩種類型的上皮細胞，稱為棒狀細胞和纖毛細胞，每一種都以大約 15% 的比例被轉染。這種脂質可以使得輸送系統(tǒng)更有效地將 mRNA 輸送到肺部。新顆粒也會迅速分解，使它們能夠在幾天內從肺部清除并降低發(fā)炎的風險。
LNP技術作為一種新興的藥物傳遞技術，主要應用于將脂質納米粒子作為載體，將藥物分子轉運到細胞內，不管是mRNA新冠疫苗，還是肺mRNA高效遞送和基因組編輯，都顯示出了LNP技術廣泛的價值和意義?？梢灶A見，未來，LNP技術還將在提高藥物的治療效果和安全性、開發(fā)新型疫苗和促進藥物研發(fā)的創(chuàng)新發(fā)揮重要的作用。