信使 RNA (mRNA) 是在 1947-1961年間通過開創(chuàng)性研究發(fā)現(xiàn)的，是基因和蛋白質(zhì)之間的瞬時中間體。到 1980 年代后期，對 mRNA 結(jié)構(gòu)和功能的研究導致了體外轉(zhuǎn)錄 (IVT) mRNA 的發(fā)展。自 1990 年第一次概念驗證動物研究以來，已經(jīng)探索了許多策略來改善 IVT mRNA 的不穩(wěn)定性和免疫原性。此外，藥物遞送系統(tǒng)的進步加速了 mRNA 療法的臨床前開發(fā)，為 mRNA 作為一種新型藥物提供了基礎(chǔ)。圖|mRNA 和脂質(zhì)納米顆粒開發(fā)的一些關(guān)鍵里程碑的時間表mRNA 已在一系列應(yīng)用中顯示出治療潛力，包括病毒疫苗、蛋白質(zhì)替代療法、癌癥免疫療法、細胞重編程和基因組編輯。為了達到治療效果，mRNA分子必須到達特定的靶細胞并產(chǎn)生足夠的目標蛋白質(zhì)。然而，靶向遞送和內(nèi)體逃逸對于 mRNA 遞送系統(tǒng)仍然具有挑戰(zhàn)性，這也就突出了對安全有效的 mRNA 遞送材料的需求。已經(jīng)開發(fā)了多種用于mRNA遞送的材料，包括脂質(zhì)、類脂材料、聚合物和蛋白質(zhì)衍生物。特別是，脂質(zhì)納米粒已被徹底研究并成功進入臨床，用于輸送小分子、siRNA藥物和mRNA。值得注意的是，兩種已獲批的2019年冠狀病毒（COVID-19）疫苗，mRNA-1273和BNT162b，是使用脂質(zhì)納米粒傳遞抗原mRNA。許多其他脂質(zhì)納米顆粒-mRNA配方已經(jīng)開發(fā)出來，并正在進行臨床評估，用于預(yù)防和治療病毒感染、癌癥和遺傳疾病。鑒于此，美國俄亥俄州立大學董一洲教授、麻省理工學院Robert Langer院士、Moderna公司的首席醫(yī)學官Tal Zaks等人近日在Nature Reviews Materials簡要概述了用于mRNA遞送的代表性脂質(zhì)納米粒，并描述了脂質(zhì)納米粒-mRNA制劑臨床前開發(fā)的關(guān)鍵步驟，包括克服生理障礙、不同給藥途徑、制造和安全性。最后，研究人員還強調(diào)了脂質(zhì)納米粒-mRNA配方在臨床研究中的重要實例，并為脂質(zhì)納米粒和mRNA治療提供了未來的前景。
用于 mRNA 遞送的脂質(zhì)的開發(fā)脂質(zhì)是兩親性分子，包含三個結(jié)構(gòu)域：極性頭基、疏水尾區(qū)和兩個結(jié)構(gòu)域之間的連接體。當前，陽離子脂質(zhì)、可電離脂質(zhì)和其他類型的脂質(zhì)已被探索用于mRNA傳遞。陽離子脂質(zhì)的頭部基團帶有永久正電荷，陽離子脂質(zhì)DOTMA、DOTAP和DDAB等均被研究用于mRNA的遞送。可電離的脂質(zhì)在低 pH 值下質(zhì)子化，這使它們帶正電荷，但在生理 pH 值下仍保持中性。可電離脂質(zhì)的 pH 敏感性有利于體內(nèi) mRNA 的傳遞，因為中性脂質(zhì)與血細胞陰離子膜的相互作用較少，因此提高了脂質(zhì)納米顆粒的生物相容性。當被困在核內(nèi)體中，其中的 pH 值低于細胞外環(huán)境，可電離脂質(zhì)被質(zhì)子化，因此帶正電荷，這可能會促進膜不穩(wěn)定并促進納米顆粒的核內(nèi)體逃逸。除了陽離子或可離子化脂質(zhì)外，脂質(zhì)納米顆粒-mRNA 制劑通常包含其他脂質(zhì)成分，例如磷脂、膽固醇或聚乙二醇 (PEG) 功能化脂質(zhì) 。膽固醇可以通過調(diào)節(jié)膜完整性和剛度來增強顆粒穩(wěn)定性。PEG-脂質(zhì)可以對脂質(zhì)納米顆粒的性質(zhì)產(chǎn)生多種影響，包括粒徑、電位和穩(wěn)定性。圖|用于 mRNA 遞送的脂質(zhì)和脂質(zhì)衍生物的化學結(jié)構(gòu)為了在體內(nèi)發(fā)揮作用，脂質(zhì)納米粒-mRNA配方需要克服多種細胞外和細胞內(nèi)障礙。首先，需要保護mRNA不受生理液中核酸酶降解的影響。其次，該制劑應(yīng)避免系統(tǒng)給藥后MPS的截留和腎小球濾過的清除。第三，脂質(zhì)納米粒-mRNA系統(tǒng)需要到達靶組織，然后被靶細胞內(nèi)化。最后，mRNA分子必須逃離內(nèi)體到達細胞質(zhì)，在那里發(fā)生翻譯。給藥途徑可以極大地影響脂質(zhì)納米顆粒-mRNA 制劑的器官分布、表達動力學和治療結(jié)果。給藥途徑通常由納米顆粒的特性和治療適應(yīng)癥決定。靜脈內(nèi) (i.v.) 給藥后，許多脂質(zhì)納米顆粒會在肝臟中積聚。肝臟天生具有分泌蛋白質(zhì)的能力，因此，靜脈注射脂質(zhì)納米粒-mRNA制劑可用于產(chǎn)生遺傳性代謝和血液疾病中缺失的蛋白質(zhì)，或產(chǎn)生抗體以中和病原體或靶向癌細胞。然而，靜脈注射給藥還可能導致脂質(zhì)納米顆粒在全身多個淋巴結(jié)中積聚，這可能會增加對 mRNA 疫苗的免疫反應(yīng)。例如，靜脈注射與局部注射相比，mRNA 疫苗的施用已被證明可誘導更強的抗原特異性細胞毒性 T 細胞反應(yīng)。mRNA 疫苗在體內(nèi)的廣泛分布可能會導致全身不良反應(yīng)，因此，可能有必要開發(fā)脂質(zhì)納米顆粒，以將 mRNA 疫苗靶向遞送到具有豐富免疫細胞的組織中。局部也可以引發(fā)全身反應(yīng)；例如，皮內(nèi)（id）、肌內(nèi)（im）和皮下（sc）注射通常用于疫苗接種，因為皮膚和肌肉中存在常駐和募集的抗原呈遞細胞（APC），它們可以內(nèi)化和處理mRNA-編碼的抗原。此外，這些組織的血管和淋巴管幫助 APC 和 mRNA 疫苗集中引流淋巴結(jié)以刺激 T 細胞免疫。疫苗接種也可以通過鼻內(nèi)給藥來完成。此外，編碼免疫刺激劑的脂質(zhì)納米顆粒-mRNA 制劑可以通過瘤內(nèi)注射直接遞送到腫瘤組織中，以促進局部促炎環(huán)境，從而導致免疫細胞激活和隨后引發(fā)全身抗癌反應(yīng)。最后，在子宮內(nèi)施用脂質(zhì)納米顆粒-mRNA 制劑可用于將 mRNA 傳遞給小鼠胎兒，實現(xiàn)胎兒肝臟、肺和腸道中的蛋白質(zhì)表達。圖|脂質(zhì)納米顆粒-mRNA 制劑的遞送障礙和給藥途徑脂質(zhì)納米顆粒-mRNA 制劑的性質(zhì)需要仔細表征，并考慮用于所需的應(yīng)用。脂質(zhì)納米粒–mRNA制劑作為疫苗可能需要不同于治療劑的特性，以實現(xiàn)最佳治療效果。要將脂質(zhì)納米顆粒-mRNA 系統(tǒng)從實驗臺轉(zhuǎn)化為床邊，除了儲存條件和安全性等考慮因素外，良好生產(chǎn)規(guī)范 (GMP) 對確保藥物質(zhì)量和治療效果至關(guān)重要。脂質(zhì)納米顆粒-mRNA 制劑的特征已在臨床前和臨床上進行了徹底的研究，這使得 COVID-19 脂質(zhì)納米顆粒-mRNA 疫苗的快速開發(fā)和臨床應(yīng)用成為可能。許多其他脂質(zhì)納米顆粒-mRNA 制劑正在臨床試驗中用于治療傳染病、癌癥和遺傳疾病。此外，基于 mRNA 的細胞重編程、組織再生和基因組編輯已在臨床前研究中顯示出治療潛力。圖|脂質(zhì)納米顆粒-mRNA 制劑作為 COVID-19 疫苗綜上所述，目前已經(jīng)探索并優(yōu)化了多種脂質(zhì)納米顆粒用于 mRNA 遞送，為未來 mRNA 療法的設(shè)計提供了有價值的信息。基于臨床研究的經(jīng)驗，脂質(zhì)納米顆粒-mRNA制劑可以進一步改進。例如，提高體內(nèi)翻譯效率、遞送效率、器官特異性、以及生物降解性和多功能性。總之，mRNA 在許多臨床試驗和臨床應(yīng)用中顯示出巨大的治療潛力。下一代脂質(zhì)納米顆粒和其他類型遞送材料的開發(fā)將進一步推動基于 mRNA 的治療廣泛的疾病，并在不久的將來改善醫(yī)療保健。
圖|針對感染、癌癥和遺傳疾病的脂質(zhì)納米顆粒-mRNA 療法的代表性臨床試驗
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
