Nature子刊：王爱军团队等开发可酸降解的LNP，增强mRNA递送

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

基于脂质纳米颗粒（LNP）的递送载体正在为医学带来新变革， 然而，LNP-mRNA复合物存在的一些限制阻碍了作为新型疗法平台。例如，LNP-mRNA只能将1%-4%的mRNA货物成功递送到细胞质中，难以产生足够量的蛋白质。肝脏是唯一一个能够充分内化LNP，以弥补LNP低内体逃逸率的器官，而开发用于非肝脏疾病的LNP-mRNA复合物需要通过工程改使其从内体中有效逃逸。总体而言，LNP-mRNA复合物的内体逃逸率低、毒性强且在组织中持续时间长，这使得它们无法治疗多种疾病，因此需要开发提高其性能的策略。

30分钟内在内体中快速水解的LNP（简称RD-LNP）有潜力解决传统LNP的一些局限性。特别是，内体在30-60分钟内会转运至溶酶体，而RD-LNP会在内体与溶酶体融合之前分降解。RD-LNP的快速水解使其能够在溶酶体分解mRNA之前从内体逃逸，并将其中的mRNA释放到细胞质中。此外，RD-LNP比传统LNP更快地从细胞中清除，这有助于降低其在组织中的毒性和积聚。

2024年8月23日，加州大学伯克利分校Niren Murthy、加州大学戴维斯分校王爱军等人在 Nature 子刊Nature Nanotechnology上发表了题为：Acid-degradable lipid nanoparticles enhance the delivery of mRNA 的研究论文。

该研究开发了一种名为“azido-acetal”（叠氮基-缩醛）的可酸降解连接子，利用其合成了 由聚乙二醇脂质、阴离子脂质和阳离子脂质组成的可降解脂质，并以此为基础合成了在内体中快速水解的LNP（RD-LNP）。在体外和体内实验中，RD-LNP显著提高了LNP-mRNA复合物的性能，相比传统LNP更有效地将mRNA递送到小鼠的肝脏、肺、脾脏和大脑，以及体外的造血干/祖细胞中。这项研究表明， 在体内调节LNP的降解速率具有极大潜力，可进一步扩大LNP在医学领域的应用。

鉴于内体与血液之间存在pH梯度，酸可降解脂质（Acid-degradable Lipid，ADL）在生成RD-LNP方面具有巨大潜力。例如，早期内体的pH为6.0，晚期内体的pH为5.0，而血液的pH为7.4。因此，开发ADL并使用它们来制备RD-LNP引起了研究人员的极大兴趣。ADL已通过乙烯基醚、正酯、酮醇、乙缩醛和肼等链接方式合成，并已融入脂质体、阳离子脂质体和LNP中，并取得了令人鼓舞的结果。

然而，现有的ADL在pH 6.0-6.8的范围内会在数天内降解，在pH 5.0-6.0的范围内会在数小时内降解，因此会被转运到溶酶体中被降解。开发在pH 6.0左右迅速降解的ADL一直是个挑战。传统酸可降解连接子的水解速率与氢离子浓度成正比，因此，在pH 6.0-6.8迅速水解的连接子在pH 7.4时也不稳定且难以使用。

在这项最新研究中，研究团队开发了一种名为“azido-acetal”的可酸降解连接子，其可在内体中几分钟内水解，但在pH 7.4下可稳定21天。azido-acetal连接子由一个在对位具有叠氮基的苯甲醛乙缩醛组成，通过需要还原和酸水解的两步机制水解。这种两步水解机制使azido-acetal在温和酸性pH下具有独特的稳定性和快速水解能力。

由于azido的弱电子吸引特性，azido-acetal的水解速度较慢，这使得在水性环境中能够以高产率合成ADL并将其整合到LNP中。而在给药前，通过添加硫醇，azido-acetal会被还原为胺，这种还原加速了azido-acetal的水解速度，因为胺具有很强的给电子性。

研究团队证明，azido-acetal连接子可以用作生成RD-LNP的平台，并进一步证明RD-LNP在将mRNA递送到小鼠的肝脏、肺、脾脏和大脑以及体外造血干/祖细胞（HSPC）方面优于传统LNP。例如，设计用于向肺部递送mRNA的RD-LNP通过递送IL-22 mRNA成功地挽救了小鼠免受急性肺损伤，而传统的LNP则无法做到。此外，含有高水平PEG修饰的RD-LNP高效地将Cas9 mRNA和gRNA递送到脑组织中，基因编辑的脑细胞数量是使用传统LNP的5倍。

总的来说，这项研究证明，在体内工程LNP水解速率具有极大潜力，可扩大LNP在医学上的应用。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-024-01765-4