綜述文章解讀：調(diào)節(jié)脂質(zhì)納米顆粒（LNP）將RNA靶向遞送至肝外器官

2024年9月5日，美國塔夫茨大學(xué) 許巧兵 教授團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》發(fā)表了一篇題為"Tuning Lipid Nanoparticles for RNA Delivery to Extrahepatic Organs"的綜述文章，詳細(xì)探討了 LNPs 在 RNA 遞送至肝外器官方面的研究進(jìn)展。

RNA-LNP 遞送至肝外器官
肺部遞送
基因療法在肺部疾病（如囊性纖維化、纖毛運(yùn)動(dòng)障礙和α-1抗胰蛋白酶缺乏癥）治療中備受關(guān)注。肺部藥物遞送通常采用吸入或全身給藥方法，雖然RNA-LNP在全身給藥后能到達(dá)肺內(nèi)皮，但脫靶轉(zhuǎn)染可能增加不良副作用的風(fēng)險(xiǎn)。

近期，選擇性器官靶向 SORT-LNP 通過在四組分配方中添加陽離子脂質(zhì)（如DOTAP、DDAB或EPC）實(shí)現(xiàn)了肺部靶向（圖1a）。這種LNP能夠轉(zhuǎn)染約40%的上皮細(xì)胞、65%的內(nèi)皮細(xì)胞和20%的免疫細(xì)胞。專門針對(duì)肺部的SORT-LNP，如50% DOTAP組成的LNP，能誘導(dǎo)PTEN編輯；而9A1P9-DDAB iPLNP則轉(zhuǎn)染34%的內(nèi)皮細(xì)胞、20%的上皮細(xì)胞和13%的免疫細(xì)胞，并顯示高mRNA表達(dá)。通過用陽離子替代物代替輔助脂質(zhì)，可以將藥物靶向從肝臟轉(zhuǎn)移至肺部。例如，將DOTAP替代DOPE后，肝臟與肺部的蛋白質(zhì)表達(dá)比從36:1變?yōu)?:56。

圖1 肺部LNP遞送設(shè)計(jì)策略

另一種方法是將含酯連接基的可電離脂質(zhì)替換為含酰胺連接基的類脂質(zhì)，實(shí)現(xiàn)肺靶向。例如，306-N16B LNP專門將mRNA遞送至肺部。改變N系列LNP的胺頭化學(xué)結(jié)構(gòu)也會(huì)影響其亞細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率，當(dāng)與Cre mRNA復(fù)合時(shí)，306-N16B LNP能轉(zhuǎn)染33.6%的肺內(nèi)皮細(xì)胞，而113-N16B LNP則能影響約69.6%的內(nèi)皮細(xì)胞（圖1b）。

淋巴器官
二級(jí)淋巴器官（SLO），如脾臟和淋巴結(jié)，對(duì)啟動(dòng)適應(yīng)性免疫至關(guān)重要。將RNA遞送至SLO中的免疫細(xì)胞，可以用于癌癥和自身免疫疾病的免疫治療。SORT LNP通過添加陰離子脂質(zhì)（如14PA、18BMP、18PA）到四組分LNP配方中，實(shí)現(xiàn)脾靶向（圖2a）。30% 18PA的SORT LNP能夠?qū)ｉT針對(duì)脾臟轉(zhuǎn)導(dǎo)約12%的B細(xì)胞、10%的T細(xì)胞和20%的巨噬細(xì)胞。此外，利用18PA SORT LNP共同傳遞Cas9 mRNA和sgPTEN，實(shí)現(xiàn)了在小鼠脾臟中進(jìn)行PTEN編輯，但這也在肝臟和腎臟誘導(dǎo)了tdTomato表達(dá)。

圖2 用于淋巴器官遞送的 LNP 設(shè)計(jì)策略

對(duì)比9A1P9和10A1P16制劑，后者顯示出更佳的遞送效率，能夠轉(zhuǎn)染約30%的巨噬細(xì)胞和6%的B細(xì)胞。用磷脂酰絲氨酸（PS）替代DOPE，可以將肝臟靶向轉(zhuǎn)移至脾臟，蛋白表達(dá)比例由8:1變?yōu)?:3。此外，將PS添加到基于MC3的Onpattro LNP中，可使其靶向淋巴結(jié)和脾臟（圖2b）。

通過仿生策略，向LNP中添加PS，促進(jìn)單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的內(nèi)吞，提高了遞送至SLO的效率。由于脾臟內(nèi)有豐富的免疫細(xì)胞，它是工程免疫細(xì)胞治療的關(guān)鍵靶點(diǎn)。目前的策略多依賴于體外工程的免疫細(xì)胞，直接遞送RNA至原代T淋巴細(xì)胞仍具挑戰(zhàn)。

此外，還有人報(bào)道了一種含咪唑類脂質(zhì)的LNP，能夠在靜脈注射后特異性遞送mRNA至CD8+ T淋巴細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)了8.2%的基因重組。采取靶向脾臟的SORT LNP還可轉(zhuǎn)染脾T細(xì)胞，原位生成CAR-T細(xì)胞，從而提高小鼠的存活率，減少腫瘤轉(zhuǎn)移（圖2c）。

將RNA遞送至淋巴結(jié)同樣關(guān)鍵。最近的一項(xiàng)研究顯示，通過皮下注射將癌癥抗原mRNA遞送至淋巴結(jié)，能夠強(qiáng)烈刺激免疫反應(yīng)以消除癌癥，同時(shí)最大限度地減少其他脫靶組織的積累，降低免疫介導(dǎo)的肝損傷風(fēng)險(xiǎn)（圖2d）。

骨遞送
骨骼被視為多種疾病基因療法的關(guān)鍵靶點(diǎn)。骨髓中的異常造血干細(xì)胞（HSC）會(huì)導(dǎo)致血液和免疫疾病，目前的治療方法主要是通過基因工程或健康HSC替代病態(tài)HSC，但這一策略存在嚴(yán)重副作用且進(jìn)入難度大。盡管骨骼血管化程度高，但由于血流量低、血液-骨髓界面的物理屏障以及藥物對(duì)骨礦物質(zhì)親和力低，使得全身給藥的生物利用度有限。

圖3 骨遞送LNP的設(shè)計(jì)策略

近年來，通過將CD117抗體綴合到LNP表面，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)骨靶向。例如，CD117 LNP可以有效遞送siRNA和mRNA至小鼠HSC，使約90%的HSC和祖細(xì)胞實(shí)現(xiàn)基因重組（圖3a）。此外，CD117 LNP促進(jìn)了堿基編輯系統(tǒng)在骨髓中的傳遞，實(shí)現(xiàn)對(duì)造血鐮狀細(xì)胞的幾乎完全校正。

為了解決骨靶向的生物障礙，Xue等人設(shè)計(jì)了一系列對(duì)骨礦物質(zhì)具有高親和力的二磷酸脂材料。研究發(fā)現(xiàn)，二磷酸鹽LNP增強(qiáng)了mRNA向骨骼的遞送（圖3b）。經(jīng)過高通量篩選，含低聚物脂質(zhì)7C1、PEG-脂質(zhì)、膽固醇和輔助脂質(zhì)的BM1 LNP被鑒定為具備骨髓向性。值得注意的是，BM1的骨髓向性受PEG脂質(zhì)的烷基長度、分子量和膽固醇的化學(xué)性質(zhì)影響，而LNP的大小影響不大。BM1能夠特異性遞送ICAM-2 siRNA和sgRNA至骨髓內(nèi)皮細(xì)胞（BMEC），分別導(dǎo)致37%的沉默和15%的插入缺失。

腦靶向遞送
血腦屏障（BBB）對(duì)全身給藥后的高分子量、親水性大分子的輸送至中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）提出了重大挑戰(zhàn)。盡管遞送技術(shù)不斷進(jìn)步，跨越血腦屏障仍然是納米療法面臨的主要難題。雖然一些利用BBB頂膜內(nèi)皮細(xì)胞受體的策略正在取得進(jìn)展，但基于LNP的腦靶向RNA遞送的實(shí)例仍然有限。

圖4 大腦靶向LNP設(shè)計(jì)

在一項(xiàng)研究中，研究人員將神經(jīng)遞質(zhì)衍生的類脂質(zhì)摻雜到LNP中，從而成功將反義寡核苷酸遞送到大腦（圖4）。此外，在另一項(xiàng)研究中，糖基化聚合物納米顆粒能夠穿越BBB，并通過葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（Glut1）在禁食條件下將siRNA遞送至大腦。

胰腺遞送
向胰腺提供治療藥物以應(yīng)對(duì)癌癥和糖尿病等難治性胰腺疾病具有重要意義。盡管已有研究利用病毒遞送系統(tǒng)成功將基因遞送至胰腺，但將RNA-LNP有效遞送至胰腺細(xì)胞仍然面臨挑戰(zhàn)。

圖5 與靜脈注射相比，腹腔給藥 mRNA-LNP 有助于遞送至胰腺

最近，有研究發(fā)現(xiàn)，含有陽離子輔助脂質(zhì)的LNP在腹膜內(nèi)給藥后能夠有效遞送mRNA至胰腺，并產(chǎn)生穩(wěn)定且特異性的蛋白質(zhì)表達(dá)（圖5）。這一研究顯示，主要的蛋白質(zhì)表達(dá)發(fā)生在產(chǎn)生胰島素的細(xì)胞內(nèi)。此外，研究還表明，腹膜巨噬細(xì)胞外泌體的分泌水平在基因轉(zhuǎn)移的過程中對(duì)向胰腺的遞送起著決定性作用。

RNA-LNP 遞送至肝外器官的機(jī)制
納米粒子進(jìn)入體循環(huán)后，會(huì)吸附血清蛋白和生物分子，形成生物分子冠，從而降低其表面張力。這一生物分子冠被認(rèn)為決定了器官選擇性靶向。最近研究表明，LNP的表面特性會(huì)影響生物分子冠的組成及LNP的去向。例如，SORT-LNP的表觀pKa決定其生物分子冠的特征：當(dāng)pKa < 6時(shí)，𝛽2-糖蛋白I有利于脾臟靶向；pKa 6-7時(shí)，ApoE促進(jìn)肝臟靶向；而pKa > 9.25時(shí)，玻連蛋白則促進(jìn)肺靶向（圖6b）。

圖6 生物分子冠介導(dǎo)的肝外器官選擇性 RNA-LNP 遞送

此外，脂質(zhì)賦形劑的化學(xué)性質(zhì)也會(huì)影響生物分子冠。例如，酰胺連接體替代可電離脂質(zhì)中的酯連接體可改變靶器官，從肝臟轉(zhuǎn)移到肺部。盡管在LNP上，白蛋白往往是主要成分，但其他成分如ApoE和纖維蛋白原的豐度可能因LNP的類型而異（圖6c）。改變SORT脂質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)可能會(huì)稍微改變每種成分的比例，從而影響LNP的靶向能力。

盡管生物分子冠在選擇性靶向中扮演重要角色，但其機(jī)制仍不明確。現(xiàn)有的正向機(jī)制表明，冠中某些成分控制器官靶向，但新研究質(zhì)疑這種簡(jiǎn)化的理解。未來需要深入研究，包括生物分子冠是否僅由蛋白質(zhì)驅(qū)動(dòng)，以及其成分和構(gòu)象如何影響靶向。此外，探索體內(nèi)動(dòng)態(tài)形成的生物冠成分和開發(fā)能量或結(jié)構(gòu)上可變的合成冠的策略也是未來研究的重點(diǎn)。