脂質(zhì)納米顆粒（LNP）是mRNA藥物常用的載體。目前，BioNTech/輝瑞和 Moderna的mRNA疫苗都采用LNP作為運輸載體，這是這些疫苗成功的關(guān)鍵要素之一。

LNP是一種多組分系統(tǒng)，通常由可電離脂質(zhì)或陽離子類脂質(zhì)化合物、輔助脂質(zhì)、膽固醇、保護(hù)劑聚乙二醇-脂質(zhì)共軛物組成。

LNP結(jié)構(gòu)組成：每種LNP都由4種輔料構(gòu)成，包括可電離脂質(zhì)（與mRNA結(jié)合，將其電荷由負(fù)電荷轉(zhuǎn)化為電中性，同時限制顆粒毒性）；另3種脂質(zhì)可以維持粒子的結(jié)構(gòu)并提高穩(wěn)定性（來源：Science）

LNP可將mRNA包裹在結(jié)構(gòu)內(nèi)部空腔中，這種結(jié)構(gòu)可以提高mRNA體內(nèi)穩(wěn)定性，有利于mRNA發(fā)揮作用。然而，制劑中的LNP載體是藥物注射后疼痛與炎癥等不良反應(yīng)的主要誘因。此外，mRNA發(fā)揮作用必須經(jīng)過其翻譯出對應(yīng)的蛋白質(zhì)實現(xiàn)，需要mRNA從顆粒中逃逸出來，然而，這對于細(xì)胞內(nèi)的LNP顆粒非常困難。最后，當(dāng)溫度升高時，mRNA具有從LNP中解離的傾向，因此這種制劑必須低溫保存，這也限制了這種劑型在全球范圍內(nèi)的使用。總結(jié)來說，盡管這種遞送技術(shù)的作用有目共睹，但還有很大的優(yōu)化空間。

溫哥華不列顛哥倫比亞大學(xué)（UBC）的生物化學(xué)家Pieter Cullis開創(chuàng)了LNP藥物遞送系統(tǒng)，他表示：“這種系統(tǒng)明顯很有前景，但是我們還需要提高LNP的性能，這是肯定的。” 2020年，Cullis創(chuàng)立了NanoVation Therapeutics，開發(fā)了利用LNP將核酸安全有效地輸送到各種組織的下一代平臺技術(shù)。

來源：NanoVation Therapeutics官網(wǎng)

目前，大型制藥巨頭和生物技術(shù)公司正在開發(fā)新一代LNP系統(tǒng)。新一代LNP技術(shù)遞送能力更強(qiáng)、副作用更少，可以幫助mRNA獲得更高的穩(wěn)定性并提高mRNA藥物的組織靶向能力。改進(jìn)后的這種納米顆粒可以幫助新冠和其他疾病的mRNA疫苗實現(xiàn)更佳的疾病預(yù)防效果，同時也可以助力mRNA藥物發(fā)揮治療疾病的潛能。Philip Santangelo是佐治亞理工學(xué)院的生物醫(yī)學(xué)工程師，目前與多家mRNA公司合作過。他表示：“遞送方式的創(chuàng)新一定可以改變游戲規(guī)則。”

Cullis在大概20年前開發(fā)了首個LNP系統(tǒng)，將基因沉默藥物遞送至細(xì)胞內(nèi)。后來，他和同事設(shè)計了LNP系統(tǒng)中的4種脂質(zhì)成分，幫助mRNA進(jìn)入細(xì)胞治療疾病。這種技術(shù)目前在疫苗中進(jìn)一步擴(kuò)大使用。RNA疫苗公司VaxEquity的聯(lián)合創(chuàng)始人，同時也是UBC生物工程師Anna Blakney表示：“這里面仍需要進(jìn)行大量的優(yōu)化開發(fā)工作。”當(dāng)談到如何理解細(xì)胞與納米顆粒相互作用時，她補(bǔ)充道：“這還是一個很大的問號。”

VaxEquity 是一家英國生物技術(shù)公司，開發(fā)下一代自擴(kuò)增 RNA 和 mRNA疫苗（來源：VaxEquity官網(wǎng)）

3月24日，來自基因泰克的科學(xué)家研究了納米顆粒如何激活一條特定的炎癥通路，為這一問題找到了部分線索。白介素1（interleukin-1，IL-1）對提高身體免疫力至關(guān)重要，但是這種炎癥因子也可能誘發(fā)某些副作用。SM-102是一種可電離脂質(zhì)，與mRNA結(jié)合并將mRNA封裝于LNP內(nèi)部。實驗中，SM-102顯著激活了這種通路。Moderna的mRNA疫苗也是基于SM-102制備的，這可能是這種疫苗在發(fā)揮較強(qiáng)的防護(hù)作用的同時導(dǎo)致部分接種者感到惡心的原因。

人體免疫細(xì)胞中，RNA疫苗誘導(dǎo)產(chǎn)生IL-1細(xì)胞因子（取決于RNA和脂質(zhì)制劑，但主要是IL-1β）。IL-1將觸發(fā)包括IL-6在內(nèi)的廣譜促炎因子釋放（來源：Nature Immunology）

基因泰克研究團(tuán)隊沒有評估BioNTech /輝瑞mRNA疫苗中使用的類似的脂質(zhì)。而來自賓夕法尼亞大學(xué)佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院的Mohamad-Gabriel Alameh測試了一種相關(guān)的脂質(zhì)分子。這種脂質(zhì)分子觸發(fā)了一系列炎癥分子，這其中既有促進(jìn)療效的，也有導(dǎo)致不良反應(yīng)的。目前，研究人員期望可以設(shè)計出激活有利的免疫反應(yīng)，而不會過度刺激有害免疫通路的可電離脂質(zhì)。Alameh表示：“這并不簡單，但應(yīng)該是可能的。”

AexeRNA Therapeutics利用專有的LNP遞送平臺技術(shù)AexLNP開發(fā)新型mRNA療法和疫苗（來源：AexeRNA官網(wǎng)）

Michael Buschmann與Alameh等人共同創(chuàng)立了AeceRNA Therapeutics。Buschmann曾于2021年帶領(lǐng)一個研究團(tuán)隊，證明了LNP的電荷對疫苗非常重要。小鼠實驗中，負(fù)電荷不利于LNP停留在肌肉和淋巴結(jié)中引發(fā)預(yù)期的免疫反應(yīng)；相反，負(fù)電荷的LNP傾向于在體內(nèi)廣泛分布，提高小鼠發(fā)燒、寒顫和其他不良反應(yīng)的風(fēng)險。

LNP遞送效率的主要影響因素之一是可電離脂質(zhì)的pKa。負(fù)電性LNP肌內(nèi)給藥后會在肝臟中出現(xiàn)更多的脫靶蓄積，這可以通過離子型脂質(zhì)和LNP的適當(dāng)優(yōu)化改善（來源：Communications Biology）

為了減少LNP的電荷負(fù)載量，研究人員替換了具有不同化學(xué)性質(zhì)的可電離脂質(zhì)。根據(jù)去年在預(yù)印本平臺上發(fā)表的論文，這種新型LNP制備的新冠mRNA疫苗在小鼠體內(nèi)產(chǎn)生了相較于傳統(tǒng)遞送系統(tǒng)更多的保護(hù)性抗體，而且副作用更少。

一種多質(zhì)子可電離脂質(zhì)C24肌內(nèi)給藥可減少肝臟蓄積，提高編碼蛋白表達(dá)水平，增強(qiáng)病毒防御能力（來源：Research Square）

特拉維夫大學(xué)的生物化學(xué)家、疫苗遞送領(lǐng)域初創(chuàng)公司NeoVac的聯(lián)合創(chuàng)始人Dan Peer還開發(fā)了具有非典型結(jié)構(gòu)的新型可電離脂質(zhì)庫。在一項未公開發(fā)表的實驗中，這些新型可電離脂質(zhì)可以幫助mRNA疫苗產(chǎn)生較少的副作用，并且在室溫條件下的穩(wěn)定性更強(qiáng)。

目前，也有研究團(tuán)隊致力于改善LNP的細(xì)胞攝取與內(nèi)涵體逃逸。內(nèi)涵體幫助LNP進(jìn)入細(xì)胞，然而，大量的LNP被束縛在內(nèi)涵體內(nèi)，導(dǎo)致mRNA還沒有被釋放就被內(nèi)涵體破壞了。俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)的生物工程師Gaurav Sahay評論道：“有大量的RNA沒有發(fā)揮作用。”

和膽固醇一樣，可電離脂質(zhì)的形狀也可以影響LNP從內(nèi)涵體中逃逸的能力。Sahay及其同事于2020年報道了不同類型的膽固醇可以改善LNP從溶酶體逃逸的速率。Sahay成立了一家名為Enterx Biosciences的公司，致力于將這些發(fā)現(xiàn)商業(yè)化。

將C-24 烷基植物甾醇引入LNP（eLNP）可提高基因轉(zhuǎn)染能力。烷基鏈的長度、甾醇環(huán)的柔性與羥基極性是轉(zhuǎn)染能力的重要影響因素。相對于傳統(tǒng)的LNP的球形結(jié)構(gòu)，eLNP結(jié)構(gòu)呈多面體。eLNP細(xì)胞攝取和保留增強(qiáng)，從內(nèi)涵體中穩(wěn)定釋放的能力更大。（來源：Nature Communications）

賽諾菲已經(jīng)開始對特制的LNP進(jìn)行頭對頭的臨床試驗。例如，在一項2021年啟動的一項試驗中，該公司評估了兩種遞送流感mRNA疫苗的LNP制劑。根據(jù)初步數(shù)據(jù)，賽諾菲mRNA卓越中心研究和生物標(biāo)志物負(fù)責(zé)人Frank DeRosa在2021年12月的一次投資者活動中宣布，其中一種脂質(zhì)納米粒預(yù)防流感性能顯著，但在高劑量下也導(dǎo)致了更多的不良反應(yīng)。

Arcturus Therapeutics是一家專注于RNA療法的公司，目前產(chǎn)品管線中有2個新冠疫苗分別進(jìn)入臨床III期與II期，一項肝臟mRNA藥物進(jìn)入臨床II期（來源：Arcturus官網(wǎng)）

而包括BioNTech和Arcturus Therapeutics在內(nèi)的其他公司已經(jīng)開始試圖從LNP中除去PEG。PEG在LNP可以起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，但近來有研究表明PEG與疫苗某些不良反應(yīng)有關(guān)。與此同時，其他更多的公司則致力于優(yōu)化遞送mRNA的脂質(zhì)，拓寬mRNA應(yīng)用場景，實現(xiàn)從預(yù)防到治療的跨越。輸注LNP后，這種納米顆粒往往傾向于分布到肝臟中。為了實現(xiàn)治療疾病，需要提高mRNA編碼糾正疾病的蛋白質(zhì)精準(zhǔn)遞送到目標(biāo)細(xì)胞或組織中的能力。

NanoVation Therapeutics的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Dominik Witzigmann表示：“LNP的遞送將成為擴(kuò)展mRNA應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵。”

聚肌氨酸（pSar）是內(nèi)源性物質(zhì)肌氨酸的聚合物。利用pSar代替PEG實現(xiàn)減少LNP的聚集和體內(nèi)的網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)清除作用，可提高RNA轉(zhuǎn)染效率，減少促炎因子釋放，降低補(bǔ)體活化（來源：ACS Applied NanoMaterials）

隨著mRNA新冠疫苗為BioNTech/輝瑞和 Moderna帶來的豐厚利潤，產(chǎn)業(yè)界對于LNP技術(shù)的關(guān)注度日益提高，與之相關(guān)的利益沖突也越來越多。Alnylam Pharmaceuticals開發(fā)的第一款以LNP遞送的一種基因沉默藥物于2018年獲批，用于治療一種罕見的神經(jīng)退行性疾病。Alnylam認(rèn)為在其基礎(chǔ)專利中覆蓋了BioNTech/輝瑞和Moderna新冠疫苗中的脂質(zhì)成分權(quán)利要求。而Cullis創(chuàng)立的另一家加拿大公司Arbutus BioPharma也在向Moderna索取賠償，因為Arbutus聲稱Moderna侵犯了該公司一項由一定比例脂質(zhì)構(gòu)成LNP系統(tǒng)的專利。

不過，伊利諾伊大學(xué)法學(xué)院生物技術(shù)專利律師Jaco Sherkow認(rèn)為，這些產(chǎn)權(quán)糾紛不會對LNP創(chuàng)新造成負(fù)面干擾，“這個領(lǐng)域有太多錢可以燒了。”

專家點評

星銳醫(yī)藥 科學(xué)創(chuàng)始人 程強(qiáng)博士

程強(qiáng)博士，星銳醫(yī)藥科學(xué)創(chuàng)始人、北京大學(xué)研究員、國家級青年人才。長期從事新型 RNA 脂質(zhì)納米藥物研發(fā)，以脂質(zhì)納米顆粒（LNP）為技術(shù)支撐，通過精準(zhǔn)遞送 RNA（mRNA、siRNA、Cas-sgRNA等）到病灶部位，以實現(xiàn) RNA 在遺傳性疾病、代謝類疾病、癌癥等多種疾病中的治療應(yīng)用。以第一/通訊作者（含共同）在Nature Nanotechnology、Nature Materials、PNAS、Nature Communications、Advanced Materials 等期刊相繼發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，被引2400余次，申請或已授權(quán)國際/國內(nèi)專利10余項，多項研究成果已幫助中、美多家生物技術(shù)公司獲得數(shù)億美元融資。

進(jìn)入LNP領(lǐng)域的機(jī)緣

2011年到2016年，我在北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所攻讀博士學(xué)位，導(dǎo)師是梁子才教授。梁子才教授是（蘇州）瑞博生物公司的創(chuàng)始人、董事長，也是國內(nèi)小核酸（siRNA）制藥的領(lǐng)軍人物。大家現(xiàn)在已非常熟悉，當(dāng)前siRNA的肝臟靶向遞送是以GalNAc綴合為主，但在很多年前，LNPs則是遞送siRNA的主流，并且第一款問世的Onpattro藥物正是使用的MC3 LNPs載體。我在讀博期間可以接觸到非常多最前沿的siRNA藥物研發(fā)項目，也是在那個時候開始研究LNPs載體。

SORT-LNP技術(shù)的優(yōu)勢

經(jīng)過多年的探索，我與合作伙伴在LNPs技術(shù)開發(fā)方面也取得了一些創(chuàng)新成果。在2020年發(fā)表于Nature Nanobitechnology雜志上的一項研究中，我們首次報道了SORT（Selective ORrgan Targeting）技術(shù)。通過額外添加一種SORT分子，我們系統(tǒng)地設(shè)計了多種靶向肝外組織的LNPs。我們證實，在SORT分子的幫助下，LNPs可特異性靶向肺、脾、肝臟，并實現(xiàn)相關(guān)細(xì)胞（包括上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、B細(xì)胞、T細(xì)胞和肝細(xì)胞）的mRNA遞送和基因編輯。

與傳統(tǒng)LNPs的研發(fā)相比，SORT技術(shù)最大的優(yōu)勢在于可預(yù)測性和簡便性。由于SORT技術(shù)具有普適性，在研發(fā)靶向LNPs載體的時候可以明確給出研發(fā)方向，因此大大降低了LNPs篩選庫的樣本量，從而縮短研發(fā)周期?；谶@一mRNA靶向遞送技術(shù)，星銳醫(yī)藥的管線布局也有相應(yīng)的特點，針對肝、肺、脾臟都有項目正在推進(jìn)中。

mRNA疫苗之外的應(yīng)用

就現(xiàn)有知識來看，遞送mRNA是LNPs的最佳應(yīng)用之一，LNPs潛在的應(yīng)用場景取決于研發(fā)靶向性LNPs的能力。理論上，mRNA可以表達(dá)出任意我們想要的蛋白，只要LNPs的靶向性足夠好，那么LNPs-mRNA的應(yīng)用場景將無比廣闊。目前除了熟知的疫苗外，通過蛋白替換（表達(dá)功能正常的蛋白）、基因編輯（表達(dá)編輯系統(tǒng)相關(guān)蛋白）手段，LNPs已經(jīng)在代謝疾病、遺傳疾病、癌癥等治療中有所應(yīng)用。

未來3-5年重點研發(fā)方向

當(dāng)然，想要獲得進(jìn)一步的突破，LNPs技術(shù)仍有很多挑戰(zhàn)需要克服。未來3-5年，靶向性（靶向特定臟器中特定細(xì)胞的能力）研究可能會是LNPs研發(fā)的重點方向，這方面的改進(jìn)一方面可明確提升治療效果，另一方面也可降低脫靶效應(yīng)。就SORT技術(shù)而言，接下來，我們的首要任務(wù)是明確其具體的靶向遞送機(jī)制及作用機(jī)理，這將更有助于指導(dǎo)研發(fā)靶向其他重要器官的LNPs體系。

參考資料：

[1] Elie Dolgin. Better lipids to power next generation of mRNA vaccines. Science. 2022.

[2] 張庭瑜 et al. 脂質(zhì)納米顆粒的制備及在基因治療中的應(yīng)用. 化學(xué)通報. 2022.

[3] Siri Tahtinen et al. IL-1 and IL-1raare key regulators of the inflammatory response to RNA vaccines. Nature Immunology. 2022.

[4] Manuel J. Carrasco et al. Ionizationand structural properties of mRNA lipid nanoparticles influence expression inintramuscular and intravascular administration. Communications Biology. 2021.

[5] SumanAlishetty et al. Novel lipid nanoparticle provides potent SARS-CoV-2 mRNAvaccine at low dose with low local reactogenicity, high thermostability andlimited systemic biodistribution. Research Square. 2021.

[6] Siddharth Patel et al. Naturally-occurringcholesterol analogues in lipid nanoparticles induce polymorphic shape andenhance intracellular delivery of mRNA. Nature Communications. 2020.

[7] Sara S. Nogueira et al. Polysarcosine-FunctionalizedLipid Nanoparticles for Therapeutic mRNA Delivery. ACS Applied Nano Materials.2020.

[8] Qiang Cheng et al. Selective organ targeting (SORT) nanoparticles for tissue-specific mRNA delivery and CRISPR–Cas gene editing. Nature Nanotechnology(2022).

[9] https://www.nanovationtx.com/

[10] https://vaxequity.com/

[11] https://aexerna.bio/

[12] https://arcturusrx.com/