受航天飞机启发，韩雪祥等开发新型LNP，助推mRNA高效递送

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

mRNA技术在预防和治疗包括传染病、癌症、代谢紊乱及先天性疾病方面具有巨大潜力。事实上，mRNA技术已经在疫苗、蛋白补充疗法和基因编辑疗法方面取得了临床成功。特别是Moderna和BioNTech公司开发的两款新冠mRNA疫苗已获得FDA批准上市，得到了广泛应用，并在新冠大流行期间发挥了巨大的防护作用。

mRNA技术在预防和治疗包括传染病、癌症、代谢紊乱及遗传性疾病方面具有巨大潜力。目前，mRNA技术已经在疫苗、蛋白补充疗法和基因编辑疗法方面取得了临床成功。特别是Moderna和BioNTech公司开发的两款新冠mRNA疫苗已获得FDA批准上市，得到了广泛应用，并在新冠大流行期间发挥了巨大的保护作用。

mRNA作为一种生物大分子，带负电荷且不稳定，因此需要递送载体才能进入细胞。脂质纳米颗粒（LNP）是目前临床上最先进的非病毒RNA递送平台。LNP通常由类脂质（也称为可电离脂质）、磷脂、胆固醇和聚乙二醇化脂质这四种组分组成。类脂质在保护和运输mRNA方面发挥着关键作用。在酸性pH下，类脂质带正电荷，使它们能够在LNP制备过程中封装mRNA，并在细胞内吞过程中破坏内体膜。而在生理pH下，类脂质保持中性电荷，限制毒性并改善LNP的药代动力学特性。

类脂质作为LNP的关键组成部分，含有长链烷基分支的可降解类脂质受到了极大的关注，但它们的优化和研究尚未得到充分重视。

2024年2月26日，宾夕法尼亚大学Michael Mitchell团队（第一作者韩雪祥博士现为中国科学院分子细胞科学卓越创新中心研究员）在Nature Communications期刊发表了题为：In situ combinatorial synthesis of degradable branched lipidoids for systemic delivery of mRNA therapeutics and gene editors 的研究论文【1】。

研究团队受航天飞机（Space shuttle）启发，设计了一种高通量、低成本合成可降解分支类脂质（DB-lipidoids）的构建策略，可将mRNA递送效率提高三个数量级。基于该策略的DB-LNP表现出高效的肝脏mRNA递送。

在饮食诱导的肥胖小鼠模型中，多次给药DB-LNP递送编码人成纤维细胞生长因子21的mRNA（FGF21 mRNA）可有效缓解肥胖和脂肪肝，单次给药DB-LNP递送Cas9 mRNA/sgTTR可高效敲除TTR基因。

韩雪祥，本科毕业于上海大学，博士毕业于清华大学（国家纳米科学中心联合培养），博士期间在赵宇亮研究员、李亚栋教授和聂广军研究员指导下从事纳米药物的抗肿瘤研究。2020年，韩雪祥加入了宾夕法尼亚大学Michael Mitchell实验室进行博士后研究工作，致力于开发用于mRNA递送的新型LNP。2024年2月，韩雪祥入职中科院分子细胞科学卓越创新中心，任课题组长，博士生导师。

韩雪祥博士

类脂质通常包含一个可电离的头部基团和两个（或更多）烷基尾部通过linker连接。可降解的linker（主要是酯键）被优先使用，以便类脂质在体内水解，提高生物相容性。此外，分支烷基尾部更受关注，其可以促进类脂质形成锥形结构，有利于内涵体逃逸和mRNA递送。最近的一些研究也显示，分支尾部可以增强类脂质的稳定性、电离能力和效力。值得注意的是，FDA批准的两种新冠mRNA疫苗的LNP使用的两种类脂质都具有可降解的酯键和分支尾部，进一步验证了这些结构在类脂质体设计中的优势。

然而，由于缺乏可买到的原料，合成含分支烷基的可降解类脂质并不容易，这阻碍了对它们的系统优化和研究。在以往的研究中，这些类脂质主要基于两步构建：第一步，制备含有功能基团的分支尾中间体；第二部，将分支尾连接到头部基团。这种构建方法通常涉及繁琐的合成和纯化步骤，使得系统优化这些化学结构和研究结构构效关系（SAR）很困难。

在这项研究中，研究团队的目标是开发新的构建方法，使用现成的原料实现可降解分支类脂质的快速、经济高效和高通量合成。

该研究设计了一种基于一锅、两步、三组分反应的串联和原位组合合成可降解分支类脂质（DB-lipidoids）的策略。在该策略中，通过可降解的linker将两个烷基链桥接到含有两个烷基链的氨基醇类脂质上，实现了mRNA的递送效率3个数量级的提高。

研究团队通过改变头部基团结构、体尾长度和分支尾长度，系统地合成和筛选了两个可降解分支类脂质组合文库，从中发现了多种可降解分支类脂质可形成有效的LNP用于体内mRNA递送，其递送效率与被批准用于siRNA肝脏递送的基于DLin-MC3-DMA的LNP（即MC3-LNP）相当或更高。此外，该研究还发现了涉及总碳原子数、对称性和头部基团的关键结构标准，可用于预测未知可降解分支类类脂质的性能。

DB-类脂质构建及DB-LNP介导的mRNA递送

最后，研究团队使用DB-LNP分别向肝脏递送编辑TTR基因的Cas9 mRNA/sgRNA和编码人成纤维细胞生长因子21（FGF21）的mRNA，前者用于治疗遗传病转甲状腺素蛋白淀粉样变性，后者用于治疗肥胖和脂肪肝。结果显示，与MC3-LNP相比，DB-LNP实现了大约5倍的TTR基因编辑效率和治疗性FGF21蛋白表达。这些结果显示了这种新型LNP平台在基于mRNA的基因编辑疗法和蛋白补充疗法方面的巨大潜力。

DB-LNP向肝脏递送基于mRNA的基因编辑器

DB-LNP向肝脏递送基于FGF21的mRNA

论文第一作者韩雪祥博士表示，我们提出了一种新的构建策略，能够快速、经济高效地合成LNP的关键组分——可降解分支类脂质，该方法涉及三种化学原料：一个胺“头部”，两个环氧烷基“尾部”，以及最后两个酰氯化合物“分支尾部”，它们组成的脂质类似于绑着两个火箭助推器的航天飞机。

韩博士回忆道，在上大学时，一部关于航天飞机的纪录片让他对固体火箭助推器（solid rocket booster）的设计印象深刻，这些助推器推动航天飞机进入轨道。而在我们的这项设计里，将两个分支尾部作为“助推器”添加到类脂质中，能够促进mRNA的递送。

事实上，添加了分支尾部显著提高了LNP将mRNA递送到目标器官的能力，就像火箭的助推器使其更容易穿透大气层一样。

2023年6月26日，韩雪祥作为第一作者，在Nature Nanotechnology期刊发表了题为： Adjuvant lipidoid-substituted lipid nanoparticles augment the immunogenicity of SARS-CoV-2 mRNA vaccines 的研究论文 【2】 。

该研究开发了一种新的LNP组分——佐剂类脂质，可以增强mRNA-LNP疫苗的佐剂性。研究结果表明，用佐剂类脂质部分替代LNP的可电离类脂质组分，不仅增强了mRNA的递送，还使LNP具有了TLR7/8激动剂活性，从而显著提高了SARS-CoV-2 mRNA-LNP疫苗在小鼠体内的先天免疫力，并具有良好的耐受性。

该研究优化的mRNA-LNP疫苗可诱导针对多种SARS-CoV-2假病毒突变株的强效中和抗体，以及强大的Th1偏向细胞免疫反应、B细胞反应和长寿浆细胞（LLPC）反应。重要的是，这种佐剂类脂质替代策略在临床相关mRNA-LNP疫苗中成功地发挥了作用，证明了其转化潜力。

韩雪详课题组博士后招聘启事

中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）韩雪祥研究组聚集新型脂质纳米粒的构建与RNA药物递送，现因工作需要，公开招聘博士后四名。联系方式：xuexiang.han@sibcb.ac.cn。详见今天公众号最后一条推送。

研究组简介详见

http://cemcs.cas.cn/sourcedb_cemcs_cas/zw/pi/202402/t20240206_6962535.html

论文链接：

1. https://www.nature.com/articles/s41467-024-45537-z

2. https://www.nature.com/articles/s41565-023-01404-4