文｜觀察未來科技
作為新冠mRNA新冠疫苗的載體，mRNA 脂質(zhì)納米顆粒（LNP）已經(jīng)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(zhì)納米顆粒（LNP）遞送技術(shù)上長達(dá)幾十年的努力。
在mRNA新冠疫苗作用的過程中，脂質(zhì)納米顆粒不僅起到保護mRNA，幫助它們進入人體細(xì)胞的作用，還協(xié)助它們指導(dǎo)細(xì)胞生成病毒蛋白?？梢哉f，沒有脂質(zhì)納米顆粒就沒有mRNA新冠疫苗。
當(dāng)然，脂質(zhì)納米顆粒的終點并不僅僅是mRNA新冠疫苗，現(xiàn)在，科學(xué)家們正在嘗試將脂質(zhì)納米顆粒遞送到肺部，創(chuàng)造更多醫(yī)學(xué)治療的可能。
LNP的過去和現(xiàn)在
脂質(zhì)是一種常見的生物分子，比如，脂肪和膽固醇等都是脂質(zhì)。顧名思義，納米脂質(zhì)顆粒就是一種基于脂質(zhì)構(gòu)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(jīng)有了一段相當(dāng)長的時間。
上世紀(jì)80年代，英屬哥倫比亞大學(xué)的Pieter Cullis教授在一次研究中意外發(fā)現(xiàn)，抗癌藥物可以擴散并停留在脂質(zhì)體中，而且這些脂質(zhì)體在注射到患癌癥動物體內(nèi)后會穿過腫瘤脈管系統(tǒng)進入細(xì)胞并將藥物釋放出來。其中，脂質(zhì)體是由磷脂雙層制成的中空球形囊泡，細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)也是磷脂雙分子層，因此脂質(zhì)體具有很好的生物相容性。
Cullis團隊最初希望利用脂質(zhì)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?yán)弥|(zhì)體遞送更大的分子，如核酸藥物。
彼時，遺傳學(xué)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(dāng)時流行的研究方向。然而，由于核酸是帶負(fù)電的，天然脂質(zhì)也都帶負(fù)電，這意味著，用傳統(tǒng)的脂質(zhì)體向細(xì)胞內(nèi)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(zhì)體中添加帶正電荷的脂質(zhì)來平衡帶負(fù)電荷的核酸。然而，自然界中并沒有陽離子脂質(zhì)，而且?guī)д姷闹|(zhì)毒性很大，會將細(xì)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(zhì)，這種脂質(zhì)在酸性（低）pH值的環(huán)境下帶正電，此時能與帶負(fù)電的核酸很好地結(jié)合，但在血液中呈中性，能減少陽離子脂質(zhì)的毒性作用。
并且，當(dāng)使用微流體將溶解在乙醇中的脂質(zhì)與溶解在酸性緩沖液中的核酸混合時，脂質(zhì)與核酸能自發(fā)形成LNP。
LNP能通過內(nèi)吞作用被細(xì)胞吸收，并且脂質(zhì)在低pH值下具有可電離性，再通過內(nèi)體逃逸將其所遞送的藥物釋放到細(xì)胞質(zhì)中。 此后，經(jīng)過不斷地優(yōu)化，LNP逐漸應(yīng)用在多種核酸藥物的遞送中。今天，LNP已經(jīng)被廣泛應(yīng)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(lǐng)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(zhì)。這個球的表面由多種不同的脂質(zhì)分子構(gòu)成，這些脂質(zhì)分子可以被設(shè)計成特定的形狀和大小，以實現(xiàn)更好的藥物傳遞和治療效果。因為LNP的大小與生物細(xì)胞相近，它們可以更容易地穿過細(xì)胞膜進入細(xì)胞內(nèi)部，將藥物或基因釋放到目標(biāo)細(xì)胞中。
近年來，經(jīng)過不斷地優(yōu)化，LNP逐漸應(yīng)用在多種核酸藥物的遞送中。2018年，F(xiàn)DA批準(zhǔn)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(zhuǎn)甲狀腺素蛋白家族性淀粉樣多發(fā)性神經(jīng)?。═TR-FAP），這也是FDA批準(zhǔn)的第一款siRNA藥物。
mRNA疫苗下的LNP復(fù)興
mRNA新冠疫苗的成功研發(fā)和應(yīng)用，不僅是LNP的一次技術(shù)突破，也帶來了LNP遞送技術(shù)的“復(fù)興”。
作為一種新型疫苗，mRNA疫苗的基本原理是利用人體細(xì)胞的自然機制，將特定病原體的mRNA序列傳遞給人體細(xì)胞，使細(xì)胞產(chǎn)生與該病原體相對應(yīng)的抗原蛋白，從而誘導(dǎo)人體產(chǎn)生針對該病原體的免疫反應(yīng)。
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(zhì)，這種蛋白質(zhì)能夠誘導(dǎo)人體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生對該病原體的免疫反應(yīng)。載體則是用來包裝和保護mRNA序列，并將其傳遞到人體細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)。LNP就是一種常用的載體技術(shù)，其基本原理是將mRNA序列包裝在一層脂質(zhì)納米粒子中。這些脂質(zhì)納米粒子通常由幾種不同的脂質(zhì)和其他化學(xué)物質(zhì)組成，可以通過特定的化學(xué)反應(yīng)組裝成球形結(jié)構(gòu)，其中mRNA序列被包裹在球內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)可以保護mRNA序列不被降解，同時可以增加它們被人體細(xì)胞攝取的效率。
當(dāng)LNP載體被注射到人體內(nèi)時，它們會被攝取到特定的細(xì)胞中，并釋放出mRNA序列。人體細(xì)胞會使用這些mRNA序列來合成病原體的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)會被細(xì)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(zhì)，從而引發(fā)免疫反應(yīng)。
而正是基于LNP技術(shù)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(xì)胞內(nèi)負(fù)責(zé)生產(chǎn)蛋白的核糖體相結(jié)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(xì)胞內(nèi)部需要解決的第一個障礙。而且，mRNA鏈?zhǔn)且粋€帶有負(fù)電荷的長鏈大分子。在人體的細(xì)胞表面有一層也帶有負(fù)電荷的細(xì)胞膜，mRNA分子沒法輕易穿過細(xì)胞膜進入細(xì)胞內(nèi)部。這些障礙也是mRNA技術(shù)早期開發(fā)時，很多科學(xué)家認(rèn)為它不可能成功的原因。
基于此，研究人員在LNP的基礎(chǔ)山，開發(fā)了一種被稱為“可離子化的脂質(zhì)分子”。這種經(jīng)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(fù)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(zhì)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(xiàn)的作用。此外，LNP中還包含著膽固醇和其它輔助脂質(zhì)分子，協(xié)助構(gòu)成LNP的完整結(jié)構(gòu)。
LNP在碰到細(xì)胞膜時會被細(xì)胞吞入到細(xì)胞內(nèi)形成稱為內(nèi)體的囊泡。在細(xì)胞內(nèi)部，內(nèi)體的pH值會降低，導(dǎo)致可離子化的脂質(zhì)分子攜帶正電荷，這會改變LNP的構(gòu)象，促使mRNA從內(nèi)體中解脫出來，然后它們就可以與負(fù)責(zé)生產(chǎn)蛋白的核糖體結(jié)合，指導(dǎo)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(xì)胞，并指導(dǎo)細(xì)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(shù)的熱情。
將基因編輯直接送進肺部？
有效的LNP遞送技術(shù)不但在mRNA新冠疫苗開發(fā)中起到了非常關(guān)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(xué)院和馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的工程師宣布，他們設(shè)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(zhì)的信使 RNA。麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所和醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)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(fù)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(shè)計能夠更好地轉(zhuǎn)染構(gòu)成肺部大部分內(nèi)壁的上皮細(xì)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(xì)胞。這些顆粒是由聚合物而不是脂質(zhì)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(zhì)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(zhì)尾部。頭基的正電荷幫助粒子與帶負(fù)電荷的 mRNA 相互作用，它也幫助 mRNA 從細(xì)胞結(jié)構(gòu)中逃脫，一旦粒子進入細(xì)胞就會吞噬粒子。
同時，脂質(zhì)尾部結(jié)構(gòu)有助于顆粒穿過細(xì)胞膜。研究人員為脂質(zhì)尾部提出了 10 種不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)，以及 72 種不同的頭基。通過在小鼠中篩選這些結(jié)構(gòu)的不同組合，研究人員能夠識別出最有可能到達(dá)肺部的結(jié)構(gòu)。
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(xì)胞中的停止信號。當(dāng)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(dá) mRNA 的細(xì)胞百分比。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在一劑 mRNA 后，大約 40% 的肺上皮細(xì)胞被轉(zhuǎn)染。兩劑使水平達(dá)到 50% 以上，三劑達(dá)到 60%。治療肺部疾病最重要的目標(biāo)是兩種類型的上皮細(xì)胞，稱為棒狀細(xì)胞和纖毛細(xì)胞，每一種都以大約 15% 的比例被轉(zhuǎn)染。這種脂質(zhì)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(nèi)從肺部清除并降低發(fā)炎的風(fēng)險。
LNP技術(shù)作為一種新興的藥物傳遞技術(shù)，主要應(yīng)用于將脂質(zhì)納米粒子作為載體，將藥物分子轉(zhuǎn)運到細(xì)胞內(nèi)，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(shù)廣泛的價值和意義?？梢灶A(yù)見，未來，LNP技術(shù)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。