俄亥俄州立大學董一洲團隊Acc. Chem. Res.：用于治療的脂質納米顆粒mRNA制劑

【引言】

經過幾十年的廣泛基礎研究和臨床試驗，脂質納米顆粒（LNPs）已經證明了有效的mRNA傳遞，如Moderna和Pfizer-BioNTech的抗COVID-19疫苗。此外，研究人員和臨床醫生一直在研究各種治療適應癥的mRNA療法，包括蛋白質替代療法、基因組編輯和癌癥免疫療法。在臨床實踐中實現這些療法還面臨著許多艱巨的挑戰。首先，需要針對不同的細胞類型開發新型的傳輸系統，如高遞送效率和低毒性LNPs。其次，mRNA分子需要被設計來改善藥物性能。最后，LNP-mRNA納米顆粒制劑需要與其治療應用相匹配。

【成果簡介】

近日，俄亥俄州立大學董一洲教授團隊總結了在設計和開發各種類型的脂類及其衍生物方面的最新進展，這些脂類化合物可以由多種類型的mRNA分子組成，用于治療多種疾病。例如，設想了一系列基于苯核、酰胺連接劑和疏水尾部結構的可電離類脂分子。發現N¹,N³,N⁵-三(3-(雙十二烷基氨基)丙基)苯-1,3,5-三甲酰胺(TT3)是體外和體內傳遞mRNA的先導化合物。而且，通過引入支化酯或直鏈酯鏈可以來調節這些類脂分子的生物降解性。另一方面，在仿生化合物的啟發下，該團隊合成了維生素衍生的脂類、化療藥物衍生的脂類、磷脂類以及糖脂類化合物。這些分子極大地拓寬了mRNA傳遞的可電離脂質的化學空間。在另一部分，作者著重介紹了在mRNA工程研究方向上的努力。化學修飾的核苷酸可以優化了mRNA的化學結構，以增加蛋白質的表達，如偽尿嘧啶(ψ)， 5-甲氧基尿嘧啶(5moU)，和N¹?-甲基偽尿嘧啶(me¹ψ)。此外，還設計了mRNA 5’非翻譯區域(5’- UTR)和3’非翻譯區域(3’- UTR)的序列，顯著提高了蛋白質表達。隨著LNP的開發和mRNA工程的進展，這些技術將應用于遺傳病、傳染病、癌癥等疾病的治療。例如，TT3及其類似物衍生的類脂納米顆粒可以有效地傳遞凝血因子IX或VIII mRNA，并恢復血友病小鼠模型的凝血活性。編碼SARS-CoV-2抗原的mRNA可作為新型冠狀病毒肺炎的候選疫苗。含有抗菌肽組織蛋白酶B mRNA的維生素脂質納米顆粒能夠加強巨噬細胞轉移來治療多藥耐藥細菌敗血癥。編碼共刺激受體的mRNA的磷脂等仿生脂類可增強癌癥免疫治療。該綜述以題為“Lipid Nanoparticle–mRNA Formulations for Therapeutic Applications”發表在了Acc. Chem. Res.上。

【圖文導讀】

圖1 FTT5和FTT9 LLN的生物降解性

(A) FTT5和(B) FTT9在體內的生物降解性。

(C,D)靜脈注射FTT5-hFIX mRNA后血友病A小鼠的(C)凝血因子VIII水平和(D)活性。

圖2 可電離的脂質-mRNA制劑作為COVID-19疫苗

(A) mRNA UTR優化及其在COVID-19 mRNA疫苗中的應用說明。

(B)肌肉注射后小鼠血清IgG水平。

(C) TT3-NASAR mRNA制劑作為COVID-19 mRNA疫苗的劑量效應。

圖3 mRNA納米粒子制劑治療細菌感染

(A)含有與溶酶體中的組織蛋白酶B連接的抗菌肽的巨噬細胞（MACs）治療耐多藥細菌敗血癥的圖解：(i)過繼性巨噬細胞治療；(ii)小鼠從耐多藥細菌誘發的敗血癥中恢復。

(B,C)治療后敗血癥小鼠的(B)存活率和(C)體重。

圖4 A20小鼠腫瘤模型的治療效果

A20小鼠腫瘤模型的治療效果：(A)腫瘤大小；(B)存活率百分比；(C)再接種腫瘤的小鼠的存活率百分比。

【小結】

脂質納米顆粒-mRNA制劑作為COVID-19疫苗已在全球數億人中使用，這為開發越來越多的基于脂質mRNA的治療藥物鋪平了道路。通過不同的合成策略，團隊制備了許多類可離子化的脂類，包括類脂分子、生物可降解脂類、化療藥物衍生的氨基脂類、仿生磷脂和糖脂類，以及維生素衍生的可離子化脂質，這些脂質可以在體內和體外有效地傳遞mRNA。同時，對mRNA進行化學修飾和序列優化，顯著提高了mRNA的穩定性和轉譯能力。在多種疾病模型中，TT3 納米材料能夠有效傳遞hFIX mRNA治療血友病B，并介導編碼SARS-CoV-2抗原的mRNA作為COVID-19 mRNA疫苗的傳遞。在小鼠中，低劑量的FTT5 納米材料誘導了很強的堿基編輯活性。含有抗菌mRNA的維生素C衍生的LNPs可以構建巨噬細胞治療多藥耐藥細菌誘導的膿毒癥。仿生磷脂納米顆粒包裹化學修飾的OX40 mRNAs和相應的抗體被證明是一種很有前途的癌癥免疫治療策略。隨著脂質結構和mRNA工程的發展，合成的脂質納米顆粒mRNA可以特異性地傳遞到多種器官和細胞類型，治療各種疾病。在未來的研究中，脂質納米顆粒-mRNA合成的幾個方面還有待進一步研究。(i)可以根據不同的設計策略構思具有新穎結構的脂類及其衍生物。例如，在分子設計中加入了仿生、生物激發和生物活性成分。(ii)生物降解性和生物相容性是LNPs應用于臨床的關鍵方面。具有適當生物降解性的脂質可以最大限度地減少可能的副作用，提高LNPs的安全性。(iii) LNPs的制劑可以經過精心調整，包括某些成分或靶向配體，這可能會提高傳遞效率或提高靶向特異性。此外，除了LNPs外，還可以開發用于mRNA傳遞的生物材料，如聚合物和細胞外囊泡。(iv)系統地研究mRNA的化學、序列和結構，以提高mRNA的藥物性能。以往的研究發現，mRNA的許多類型的化學修飾影響mRNA的翻譯，其相關機制尚不完全清楚。(v)脂質mRNA制劑已進入預防或治療傳染病、遺傳性疾病和癌癥的臨床試驗。許多其他的適應癥也可能受益于這種新型藥物。在學術界和工業界的共同努力下，脂質納米顆粒-mRNA制劑將在未來為人類健康做出巨大的貢獻。

文獻鏈接：Lipid Nanoparticle–mRNA Formulations for Therapeutic Applications（Acc. Chem. Res.，2021，DOI：10.1038/acs.accounts.1c00550）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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