現在很清楚，由脂質納米顆粒 (LNP) 傳遞的編碼SARS-CoV-2刺突蛋白的信使 RNA (mRNA) 觸發了有效保護肺部免受病毒感染。通常，mRNA療法也可用于治療或預防囊性纖維化、肺癌、哮喘和其他肺部疾病。封裝 mRNA 的 LNP 為核酸提供了防止核糖核酸酶降解的保護，促進它們被細胞吸收，在很大程度上是非免疫原性的，并允許控制釋放封裝的治療劑。將 LNP 封裝的 mRNA 給藥至肺部的最直接途徑（可能也是最安全和最有效的）是通過吸入，因為它可以最大限度地提高這些器官中治療劑的濃度并限制其全身暴露。
鑒于此，佐治亞理工學院和埃默里大學醫學院James Dahlman和Philip Santangelo 等人描述了一種優化 LNP 的篩選方法，以便 mRNA 可以以霧化氣溶膠的形式輸送到肺部。成果發表在Nature Biomedical Engineering上。
研究人員通過分析不同化學成分和納米顆粒成分摩爾比（主要脂質、中性或陽離子輔助脂質和PEG）的影響，采用基于簇的方法來配制 LNP。關于將 mRNA 霧化遞送至小鼠肺的效率。作者以微流體方式生產 LNP，并使用先前優化的寡聚體-脂質偶聯物（稱為 7C1）作為主要脂質以及編碼納米熒光素酶的 mRNA。
圖|評估化學多樣化的 LNP 如何在霧化后將 mRNA 遞送至肺的體內工作流程
通過將LNP通過為動物鼻腔設計的暴露室輸送到小鼠肺部48小時后，對其發出的熒光進行定量（順便提一下，僅鼻腔吸入室的輸送效率較低，因為只有約1.4%的霧化質量可有效吸入；因此，它們需要大量的霧化材料）。一輪初步篩選涉及生產六個“極端組”LNP：具有高摩爾分數的中性脂質、7C1 和中性脂質、7C1 和膽固醇、陽離子輔助脂質、PEG 或 7C1 和 PEG 的 LNP。
基于收集到的所有數據，作者得出了三個設計規則：
1）PEG-脂質結合物的存在對于形成穩定的LNP至關重要，
2）使用陽離子輔助脂質和更高摩爾分數的PEG可改善霧化mRNA遞送，
3）含有陽離子輔助脂質的制劑比含有中性脂質的制劑需要更多的PEG。
圖|用于治療性霧化 mRNA 遞送的設計規則和優化的 LNP
與為全身給藥而設計的 LNP 相比，優化后的 LNP 在霧化后表現出更高的結構穩定性，并且在小鼠肺中具有更高的發光。此外，優化后的 LNP 大多均勻分布在治療小鼠的整個肺組織中，而且優先在肺泡空間積聚。研究人員還表明，可以在肺上皮細胞（纖毛和棒狀支氣管）和肺泡 I 型和 II 型細胞中檢測到 mRNA，接受治療的小鼠沒有出現任何不良事件。暴露后最多7天還能檢測到發光，霧化遞送兩天后測量到肺部的最高發光水平。此外，他們表明 LNP 封裝了編碼廣泛中和抗體的 mRNA，并在動物接種致死劑量的甲型流感病毒前幾天通過吸入傳遞給小鼠，保護所有動物免于死亡。
分散到可吸入氣溶膠液滴中的納米顆粒會受到剪切應力，這會導致顆粒碎裂，影響有效載荷的穩定性，尤其是對于 mRNA 等親水性分子。研究人員使用的振動網狀霧化器通過帶有微孔的多孔板產生氣溶膠，該多孔板在約 100 kHz 的頻率下振動，這比噴氣和超聲波系統更溫和。然而，振動網狀霧化器通常會導致 LNP 的測量尺寸增加，這可能反映了結構性 LNP 損壞。因此，依靠表面聲波的新型霧化器則不受這些問題的影響。
圖|振動網狀霧化器會影響 LNP 制劑的特性
綜上所述，該LNP 設計方法原則上適用于其他類型的 RNA 和核酸的遞送以及配制為可吸入干粉的 LNP。隨著基因療法進入臨床，通過吸入霧化或粉狀制劑對肺部進行局部治療的策略對于呼吸系統疾病的治療將變得越來越重要。自然地，為全身給藥開發的制劑不能簡單地用于吸入，并且為吸入開發的制劑也受到其自身穩定性、制造、規模化和長期儲存的挑戰。
因此，大量的優化仍需推進。
參考文獻：
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