治療性核酸，例如反義寡核苷酸、siRNA和mRNA，已被用于治療和預防多種疾病。例如，已顯示基于核酸的治療可改善遺傳性轉甲狀腺素介導的淀粉樣變性和純合子家族性高膽固醇血癥患者的臨床結果。此外，最近還開發了針對癌癥和寨卡病毒的實驗性核酸疫苗，并且針對 COVID-19 的核酸疫苗已獲準用于臨床。由于 mRNA 疫苗的開發速度比其他疫苗類型更快，因此基于核酸的療法可以在控制大流行性疾病方面發揮重要作用。
盡管患者更喜歡口服劑型而不是注射劑，但核酸通常通過靜脈內、肌肉內或皮下給藥，因為胃腸道 (GI) 自然會阻止生物大分子的攝取。當口服給藥時，核酸在攝入后迅速降解，從而限制細胞滲透并降低生物利用度。腸胃外給藥方法能夠快速全身吸收，并確保治療到達接受大量血流的器官，例如肝臟、肺和腎臟。口服給藥方法可以成為一種優選的全身攝取方法，并且還可以在胃腸道中進行靶向遞送。
為了增強 GI 攝取、靶向特定器官、促進轉染和或防止脫靶效應，基于核酸和其他大分子的藥物通常轉向滲透增強劑和專門設計的納米顆粒。盡管如此，基于核酸的療法仍然具有較低的口服生物利用度。之前的研究已經證明，口服給藥的機器人注射藥丸能夠自動將藥物注射到胃腸道內壁，能夠以與皮下注射相當的劑量水平全身遞送大分子蛋白質藥物。然而，核酸的口服遞送提出了額外的挑戰，并且尚未使用這種方法進行證明。
鑒于此，麻省理工學院Giovanni Traverso、Robert Langer院士等人展示了通過口服膠囊將封裝在支化聚合物納米顆粒中的 mRNA 直接注射到胃粘膜下層的能力，繞過胃腸道中存在的天然屏障。并且使用豬和小鼠模型中蛋白質翻譯的證據來確認給藥 mRNA 的有效轉染。成果發表在Matter上，Nicholas A. Peppas院士和陶偉對其進行評述。
示意圖
本文使用的藥丸，稱之為自定向毫米級施藥器 (SOMA)，能夠通過組織注射將藥物制劑直接輸送到胃組織的血管層中，從而繞過胃腸道中的降解酶。為確保注射劑進入組織，而不是進入胃腔，該藥丸利用獨特的形狀和密度分布來自主定向并可預測地面向胃壁。然后水合觸發的致動器就會釋放一個基于彈簧的注射機制，該機制將針頭推入組織并將一團藥物輸送到胃粘膜下層，進而實現藥物的胃部輸送。本文的重點是優化 SOMA 系統，以解決核酸遞送帶來的獨特挑戰，例如劑量效力、轉染效率和翻譯率。
研究人員開發了一種用于核酸遞送的強效納米顆粒，并設計了一種適合凍干、上濃縮和填充到 SOMA 裝置中的配方。研究人員合成并篩選了一個支鏈雜化聚β-氨基酯(PBAE) mRNA納米顆粒文庫，以提高轉染效率。然后，將性能最高的配方與能夠將配方直接輸送到胃組織中的可攝入毫注射膠囊相結合。
研究人員比較了使用支鏈和支鏈混合 PBAE 納米顆粒與使用線性 PBAE 納米顆粒傳遞的 mRNA 的轉染效率。多種細胞類型的體外研究表明，與線性 PBAE 納米粒子相比，頂部分支或分支的雜化 PBAE 納米粒子轉染的細胞百分比更高。分支的混合 PBAE 也有效地將編碼 eGFP 的mRNA 傳遞到 Caco2 細胞中。事實上，其中一個熱門(846) 的轉染效率大大高于支鏈聚乙烯亞胺。
圖|支鏈雜化聚合物納米粒子的轉染效率
為了增加可以裝載到口服膠囊中的 mRNA 劑量，研究人員將納米顆粒凍干并以更高的濃度重組它們。在沒有保護劑的情況下凍干導致轉染效率完全喪失。然而，以選擇的濃度添加蔗糖導致轉染效率的完全保留，并使能夠將納米粒子的濃度提高 > 100 倍。應該注意的是，在凍干過程中使用大量蔗糖來穩定納米顆粒（納米顆粒重量的 15-60 倍），這與文獻報道的核酸遞送系統值相當或更低。
隨后，研究人員驗證了配方和裝置在嚙齒動物和豬中的性能，證明了蛋白質在胃粘膜的三角洲、胃和壁細胞中的翻譯，以及全身吸收。
圖|在小鼠和豬體內將 mRNA 遞送到胃部
總結與展望
這些發現表明，通過口服裝置將 mRNA 以及其他核酸直接注射到腸道內壁可能是將這些治療分子遞送到 GI 組織的可行方法。未來通過 B 細胞和 T 細胞反應評估粘膜免疫的工作可能有助于確定免疫反應是集中在胃中還是通過胃腸道和身體其他部位傳播。
目前，仍然需要在其他大型動物模型和人體中進行驗證，以評估該設備的臨床安全性和有效性。在實驗中使用了支鏈混合 PBAE 納米顆粒，但其他聚合物和脂質納米顆粒也可能與我們的系統兼容。重要的是，沒有進行納米顆粒優化，它可以減少組織注射后體內核酸降解的影響。有必要進行進一步的研究以進一步優化這些納米顆粒制劑的給藥效率。為了充分發揮該系統的潛力，應進行使用治療性核酸（例如 mRNA 疫苗）而不是本研究中使用的模型核酸的研究。盡管如此，這種藥丸對于口服核酸遞送技術來說是一個有前途的發展，可能會提高患者群體的生活質量，并最終改善健康狀況。
參考文獻：
OralmRNA delivery using capsule-mediated gastrointestinal tissue injections. Matter2022.
https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.12.022
