Nature子刊：薛璐璐等开发硅氧烷基LNP，实现mRNA的器官特异性高效递送

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

题图为薛璐璐博士

近年来，我们越来越认识到，mRNA技术具有变革疫苗接种、蛋白质替代疗法、癌症免疫疗法以及基因编辑的能力。新冠大流行期间，美国FDA批准了两款mRNA新冠疫苗上市，这两款mRNA疫苗均使用有可电离脂质、磷脂、胆固醇和聚乙二醇化脂质这四种组分构成的脂质纳米颗粒（LNP）递送系统。此外，在临床试验中，LNP递送的Cas9 mRNA和靶向转甲状腺素蛋白（TTR）的sgRNA，成功治疗了遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性（hATTR）。

此外，在体外和体内研究中，研究人员评估了多种新兴LNP配方，例如可生物降解的LNP、维生素驱动的LNP、咪唑基LNP、树枝样LNP等等，以提高基于LNP递送的mRNA疗法的效力并最小化其毒性作用，这凸显了开发可电离脂质（类脂质）以用于临床应用的重要性。然而，当进行全身系统性给药时，LNP会优先在肝脏内蓄积，这使得mRNA难以在肝外递送。

最近，有研究人员利用被动靶向、主动靶向和内源性靶向等策略来实现mRNA-LNP向特定器官的递送。然而，在单个脂质库中，将可电离脂质结构与组织特异性mRNA递送联系起来的结构-活性关系尚未充分阐明。目前仍未有研究构建出一个具有新型类脂质化学结构的单一合成LNP文库，用于全身给药的肝脏、肺和脾靶向性递送。因此，我们迫切需要新型的化学结构易于改变的脂质样材料，以促进mRNA疗法的组织特异性递送。

2024年10月1日，宾夕法尼亚大学Michael J. Mitchell 团队（薛璐璐、赵干、宫宁强为共同第一作者）在 Nature 子刊Nature Nanotechnology 上发表了题为：Combinatorial design of siloxane-incorporated lipid nanoparticles augments intracellular processing for tissue-specific mRNA therapeutic delivery 的研究论文。

该研究设计了一类具有不同结构的基于硅氧烷的可电离脂质（类脂质），并配制了含硅氧烷的LNP——SiLNP，以调控mRNA在体内向肝脏、肺和脾脏的递送。硅氧烷的存在增强了mRNA-LNP的细胞内化，并提高了其胞内逃逸能力，从而提高mRNA递送效率。研究团队进一步验证了器官特异性利用器官特异性SiLNP递送CRISPR基因编辑组分，在小鼠肝脏及肺部实现了稳健的基因敲除。此外，该研究还显示，Si5-N14 LNP通过递送成纤维细胞生长因子-2（FGF-2）的mRNA，有效恢复了病毒感染引起的肺损伤。

研究团队表示，该研究开发的SiLNP有助于将mRNA疗法应用于下一代组织特异性的蛋白质替代疗法、再生医学和基因编辑的临床转化，预示着个性化医学和基因治疗的新时代即将到来。

由于硅氧烷（含有Si-O-Si键的化合物）复合材料具有高稳定性、低化学活性和良好的生物相容性等特点，因此，研究团队采用组合设计方法合成了252个（12×21）含有不同硅氧烷胺核心成分和烷基链结构的类脂化合物库，其中每个含硅氧烷的类脂体用Six-Cy、Six-Oy或Six-Ny表示，其中“x”表示每个类脂质中硅氧烷胺头部的数量，“y”表示不同烷基链的长度，例如Si5-N14。

这些含硅氧烷的类脂质被用于制备含硅氧烷的LNP（SiLNP），以证明结构引导的体内系统性mRNA递送。

研究团队发现，将硅氧烷基团引入类脂质结构，不仅可以增强mRNA-LNP的内吞作用，还可以提高其从内体中逃逸的能力，从而提高mRNA的递送效率。在小鼠体内的评估显示，含硅氧烷的类脂质的结构发生轻微改变就能够显著改变其组织亲和性。例如，Si6-C14b靶向肝脏、Si5-N14靶向肺，Si12-C10靶向脾脏，这些SiLNP显示出器官特异性转染各种类型的细胞，包括肝细胞，Kupffer细胞，内皮细胞、树突状细胞和脾脏巨噬细胞。

使用肝脏靶向的SiLNP（Si6-C14b LNP）和肺靶向SiLNP（Si5-N14），递送CRISPR-Cas9基因编辑器组分，在野生型小鼠的肝脏，以及转基因GFP小鼠和Lewis肺癌荷瘤小鼠的肺部，实现稳健的基因敲除。

此外，在病毒性肺炎中，肺血管内皮的损伤对肺功能的恢复至关重要，其再生与修复是决定患者愈后的关键因素。基于硅氧烷LNP对血管内皮细胞的高度亲和性，研究团队率先将这一系统应用于肺再生医学的研究。结合临床患者样本和小鼠病毒性肺损伤模型，研究揭示了两种关键微环境信号在肺血管内皮修复中的新机制：TGF-β1和LRG-1协同调控SMAD信号传导，通过Si7-N12 LNP递送vegfa mRNA促进血管内皮再生。该工作于2024年1月31日发表于Science Translational Medicine 期刊【2】，详情：Science子刊：肺靶向的LNP-mRNA疗法，帮助病毒感染后的肺部修复

同时，在这项最新研究中，研究团队还验证了通过精准Si5-N14 LNP递送Fgf-2等关键内皮生长因子促进病毒感染肺损伤模型的血管修复，展示了基于该递送系统的靶向血管内皮治疗疾病的潜在临床应用潜力。

该研究提供了概念验证，表明在类脂质结构中引入硅氧烷基团，可以在体内实现LNP器官靶向的调节，从而为开发下一代组织特异性mRNA递送的脂质样材料奠定了基础。

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