诺奖背后的关键技术，拯救无数人的生命！数十年的探索，带来广阔的治疗前景

编者按：随着RNA疗法在多个治疗领域不断取得突破，脂质纳米颗粒（LNP）作为极具潜力的非病毒RNA递送平台，已被广泛应用于多款已上市药物和疫苗中。LNP能够将mRNA分子安全、高效递送至细胞内部，正逐渐成为影响RNA疗法疗效与产业化进程的关键技术。依托于一体化、端到端的CRDMO平台，药明康德支持合作伙伴推进LNP可行性研究、制剂开发和工艺开发，助力前沿科技转化为惠及全球患者的突破性疗法。近日，一篇发表于Nature Reviews Drug Discovery的综述系统梳理了LNP的发展进程。本文将结合公开资料，对这一领域的研究进展进行梳理与介绍。

2023年，诺贝尔生理学或医学奖授予了mRNA疫苗的两位开发者——卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）博士和德鲁·魏斯曼（Drew Weissman）博士。经过众多科学家数十年的探索，mRNA这种曾长期停留在实验室阶段的分子，真正成为具有广阔潜力的治疗手段。

mRNA要真正发挥功能，首先要解决一个根本难题：它本身是一种极为脆弱的分子，进入人体后会在几分钟内被无处不在的酶降解；同时，它的骨架带有大量负电荷，而细胞膜表面也带负电，同种电荷相互排斥，使得mRNA几乎无法靠近细胞膜，更不用说进入细胞进行后续的蛋白质翻译了。

而让mRNA最终得以突破这道屏障、进入细胞并发挥功能的，是一种名为脂质纳米颗粒（LNP）的关键递送技术。

让核酸递送成为可能

随着分子生物学“中心法则”的提出，科学家们意识到如果能够操控遗传物质，就有可能治疗甚至预防疾病。

但就像前文所说，这类治疗面临着一项根本性挑战：如何让带有负电荷的核酸分子穿透带负电荷的细胞膜，进入细胞内部？

一种策略是使用病毒作为核酸传递工具。

病毒经过亿万年的进化，已经掌握了高效侵入细胞的本领。但是，病毒载体可能引发免疫反应，同时携带核酸的能力有限。因此，科学家们也在寻找非病毒的替代方案。

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1964年，科学界迎来了一项重要发现：当将鸡蛋卵磷脂分散在水中时，这些脂质分子会自发形成同心圆状的脂双层结构，包裹住一部分水。这些被称为“脂质体”的微小囊泡，恰好模仿了生物细胞膜的基本结构。

这一发现开启了对脂质的深入研究。科学家们发现，脂质不仅仅是被动的结构材料，还能在膜内流动、改变形状，甚至与其他膜融合。这些性质后来被证明对核酸递送至关重要。

最初，科学家尝试将核酸包裹在脂质体内。然而，这些早期尝试遇到了重重困难：由于脂质体内部空间太小，包裹效率极低；脂质体表面带负电荷，与同样带负电荷的核酸相互排斥；更关键的是，它的制备过程难以放大，无法满足实际应用需求。

突破性进展：改变脂质特性

1987年，生物化学家菲利普·费尔格纳（Philip Felgner）教授提出了一个革命性的想法：如果使用带正电荷的脂质体制备脂质体，它们就会与带负电荷的核酸发生静电吸引，从而提高包裹效率。并且，脂质体还能够轻松与负电荷的细胞环境结合，促进其细胞穿透。

经过一系列尝试，他成功合成了第一种阳离子脂质——DOTMA。DOTMA与辅助脂质混合并分散在水中时，可以形成稳定的小型带正电荷脂质体。将这些脂质体与质粒DNA混合，就能形成被称为“脂质复合物”的结构。这些脂质复合物能够高效地将DNA和mRNA送入培养细胞，无需添加任何靶向元件。

阳离子脂质在体外细胞实验中表现出色，但能否应用于体内呢？

随后，费尔格纳教授尝试将脂质复合物DNA和mRNA直接注射到小鼠肌肉组织中，观察基因表达情况。结果，它们在肌肉中显示出了可观的表达水平。

解决另一环：实现长期循环

尽管阳离子脂质体在体外转染中表现出色，但其体内应用仍然具有局限性。因为带正电荷的脂质体会激活免疫补体系统，同样会被快速清除。研究人员意识到，要实现长循环和靶向递送，需要开发在生理pH条件下呈电中性的递送系统。

1994年，生物化学家彼得·库利斯（Pieter Cullis）教授为突破这一环带来了重要贡献。他在研究脂质不对称性时发现，弱碱性可电离阳离子脂质DODAP可响应pH梯度，并在脂质体双层中重新分布改变电荷属性。当pH低于6.8时，DODAP带正电荷；当升至生理值pH7.4时，则转变为中性疏水形式。

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这意味着，DODAP可以先在酸性条件下与小片段的带负电的反义寡核苷酸结合，形成脂质-核酸复合物；进入人体体液环境后，DODAP转变为中性形式，此时核酸分子会迁移至由辅助脂质构成的极性区域。这一自组装过程最终形成了具有核-壳结构的LNP，能够长期存在于循环系统中。这一特性成为了后续LNP技术的核心设计原理。

2001年，基于这一原理的稳定化反义脂质颗粒（SALP）成功实现了反义寡核苷酸的高效包裹。这些颗粒静脉注射后表现出长期循环，且毒性低于常规的脂质复合物。

从实验室走向应用

随后，LNP技术进入快速优化阶段。通过多种设计，研究人员开发了一系列高效可电离阳离子脂质。这些技术进步使LNP与小干扰RNA（siRNA）首先走到了一起，一些测试发现两者结合能够高效沉默肝脏中的靶基因。临床试验显示，LNP-siRNA系统能快速、稳健地降低循环中的转甲状腺素蛋白水平。

2018年，LNP技术迎来了重要里程碑——patisiran（帕替西兰，商品名Onpattro）获得FDA批准，这款LNP-siRNA药物用于治疗遗传性甲状腺素转运蛋白淀粉样变性。

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在同一时期，LNP与mRNA的组合系统也在迅速发展。2012年，有研究证明用于siRNA递送的LNP也可用于包裹编码呼吸道合胞病毒F蛋白的自扩增RNA。通过肌内注射该LPN后，小鼠产生了强效的保护性免疫反应。

后续还有研究表明，编码促红细胞生成素的mRNA可被包裹在LNP系统中，静脉注射后能转染猪的肝脏，导致循环中高水平的促红细胞生成素；2017年，有研究发现皮内注射编码病毒蛋白的LNP-mRNA，能提供对寨卡病毒的优异疫苗保护，这为相关mRNA疫苗提供了重要启示。

目前，有数十种使用LNP递送技术的疫苗和治疗方法进入临床开发阶段，涵盖从传染病到癌症的广泛领域。这一系列成功的临床前探索，使得LNP-mRNA技术平台日益成熟，也促成了mRNA疫苗的诞生。

一体化平台助力LNP研发和生产

如今，LNP技术正在开启一个更广阔的探索时代。

展望未来，LNP技术的一项关键任务是突破肝靶向的局限，开发能够精准递送至肝外组织的新型LNP系统，从而拓展其在更多疾病领域的应用。与此同时，与分子生物学工具的深度结合正成为另一大趋势，有望让LNP在个体化治疗等领域发挥更大潜力。

此外，在脂质体和LNP递送体系快速发展的背景下，脂质材料的研发与合成能力正成为RNA药物研发的重要基础。

在这一趋势下，药明康德旗下合全药业（WuXi STA）的脂质纳米颗粒平台旨在帮助客户项目从研发阶段快速推进到临床和商业化生产阶段。平台的LNP研发实验室配备了多通道微混合系统、不同规模的切向流过滤（TFF）系统、无菌过滤系统和分析设备。同时还配备其它混合技术与设备，例如MIVM、微流体、精密纳米系统和LNP挤出系统。研发实验室可进行LNP可行性研究、制剂开发和工艺开发。

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平台的LNP生产车间为模块化设计，将多通道芯片、微混合系统和复杂的制备系统整合到一个以多通道微混合器为核心的LNP生产平台中，在药物载量、脂质体粒径控制和包封效率方面有显著的优势。此外，模块化设计提供了更高的灵活性，使该平台能够支持各种生产规模，每批可达10-50升。

值得一提的是，合全药业也可以提供寡核苷酸和特定功能性脂质（如可电离脂质和聚乙二醇化脂质）的合成和生产服务。该平台提供端到端服务，包含原料药、制剂和分析支持的一体化CMC开发和生产服务。

作为全球生物医药创新的赋能者，药明康德将持续通过CRDMO业务模式，助力更多全球合作伙伴，将更多科学创新转化为造福病患的突破性疗法。

参考资料：

[1] Cullis, P.R., Felgner, P.L. The 60-year evolution of lipid nanoparticles for nucleic acid delivery. Nat Rev Drug Discov 23, 709–722 (2024). https://doi.org/10.1038/s41573-024-00977-6

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