傳遞遺傳信息到體內(nèi)目標(biāo)細(xì)胞內(nèi)部一直是基因治療面臨的主要挑戰(zhàn)。這一障礙現(xiàn)在正在被克服，近年來，基于脂質(zhì)的系統(tǒng)，特別是脂質(zhì)納米粒子（LNPs），在實(shí)現(xiàn)核酸疫苗和治療劑的遞送方面取得了顯著進(jìn)展。
傳遞遺傳信息到體內(nèi)目標(biāo)細(xì)胞內(nèi)部一直是基因治療面臨的主要挑戰(zhàn)。這一障礙現(xiàn)在正在被克服，近年來，基于脂質(zhì)的系統(tǒng)，特別是脂質(zhì)納米粒子（LNPs），在實(shí)現(xiàn)核酸疫苗和治療劑的遞送方面取得了顯著進(jìn)展。在這里我們基于脂質(zhì)納米粒子（LNPs）在核酸遞送中60年發(fā)展歷程，詳細(xì)介紹了脂質(zhì)體和脂質(zhì)復(fù)合物的發(fā)展、脂質(zhì)納米粒子遞送系統(tǒng)的開發(fā)以及未來的展望。
圖1.導(dǎo)致lnp激活RNA疫苗和療法的事件時(shí)間表
1958年，分子生物學(xué)的中心法則被提出，即DNA到RNA再到蛋白質(zhì)的信息流，這為后續(xù)的基因治療和RNA疫苗的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)；1964年到1973年期間，脂質(zhì)體（liposomes）和鈣-磷酸鹽-DNA共沉淀法被發(fā)現(xiàn)，這為后續(xù)的LNP技術(shù)提供了技術(shù)原型；1981年，病毒載體進(jìn)行基因治療的概念被提出，這一概念對后續(xù)LNP技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響；1984年，重組痘苗病毒的開發(fā)為RNA疫苗的發(fā)展提供了參考；1989年，一些非病毒方法被用于疫苗開發(fā)；1990年代中期，LNP技術(shù)發(fā)展進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期，Inex Pharmaceuticals和UBC開始合作研究，開發(fā)基于脂質(zhì)的核酸遞送系統(tǒng)；1995年到1999年期間，LNP技術(shù)中關(guān)鍵的脂質(zhì)成分離子化的可電離陽離子脂質(zhì)DODAP穩(wěn)定質(zhì)粒脂質(zhì)體（SPLP）被開發(fā)，標(biāo)志著LNP技術(shù)進(jìn)入新階段。2001年到2012年期間，穩(wěn)定反義脂質(zhì)體（SALP）、穩(wěn)定核酸脂質(zhì)體（SNALP）配方和LNP siRNA相繼被開發(fā)出來，使得LNP技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展；2015年到2024年期間，LNP技術(shù)在mRNA遞送方面的發(fā)展及應(yīng)用，標(biāo)志著LNP技術(shù)在疫苗領(lǐng)域的成功應(yīng)用（圖1）。LNP技術(shù)從早期的脂質(zhì)體研究到現(xiàn)代RNA疫苗和療法的60年的發(fā)展歷程，每一步都為最終的成功應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
脂質(zhì)體是在水中分散的脂質(zhì)形成的多層囊泡，通常由一個(gè)或多個(gè)脂質(zhì)雙層組成，這些雙層圍繞一個(gè)或多個(gè)水性腔室。脂質(zhì)雙層由兩排磷脂分子組成，其中磷脂的親水性頭部朝向水相，而疏水性尾部相互面對，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為了提高脂質(zhì)體的循環(huán)時(shí)間和靶向性，脂質(zhì)體表面可以修飾聚乙二醇（PEG）等聚合物，以減少免疫系統(tǒng)的識別和清除。由于脂質(zhì)體可以通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞，隨后在內(nèi)體或溶酶體中與膜融合，釋放其包裹的內(nèi)容物。因此脂質(zhì)體可以作為藥物和基因治療劑的載體。脂質(zhì)體在藥物遞送和基因治療中起關(guān)鍵作用，脂質(zhì)體的穩(wěn)定性、循環(huán)特性、細(xì)胞攝取效率都會對最終的治療效果產(chǎn)生極大影響。
圖2.脂質(zhì)體的形成和結(jié)構(gòu)
LNP的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及精確的化學(xué)和物理操作，以確保核酸的有效包裹和遞送。這些顆粒的設(shè)計(jì)允許它們在體內(nèi)循環(huán)，特異性地靶向和進(jìn)入細(xì)胞，最終釋放其核酸貨物，用于疫苗開發(fā)、基因治療和其他治療應(yīng)用。LNP由四種主要脂質(zhì)成分組成，包括可電離脂質(zhì)（或陽離子脂質(zhì)）、輔助脂質(zhì)、膽固醇和聚乙二醇化脂質(zhì)（PEG-脂質(zhì)）。這些脂質(zhì)首先在有機(jī)溶劑（如乙醇）中溶解，形成均勻的脂質(zhì)溶液；之后將含有核酸（如mRNA）的水相溶液與脂質(zhì)的有機(jī)相溶液快速混合。在混合過程中，可電離脂質(zhì)在水相中質(zhì)子化，帶正電荷，與帶負(fù)電荷的核酸磷酸骨架發(fā)生靜電結(jié)合。然后在混合后的溶液中，脂質(zhì)成分由于疏水作用和范德華力相互作用，自發(fā)組織成納米結(jié)構(gòu)實(shí)體。這一過程中，脂質(zhì)成分圍繞核酸形成多層囊泡或納米結(jié)構(gòu)核心。再然后通過改變PEG-脂質(zhì)的量或混合參數(shù)（如流速和體積比），調(diào)節(jié)LNP的大小和均勻性。此外，通過透析或切向流過濾提高pH值，中和可電離脂質(zhì)，形成不帶電的納米脂質(zhì)顆粒。最后通過擠壓、透析和過濾消毒等后處理步驟，以確保LNP的均勻性、穩(wěn)定性，并去除未封裝的貨物和多余的脂質(zhì)成分（圖3）。LNP的形成過程對其最終的物理化學(xué)性質(zhì)和生物分布具有重要影響。例如，LNP的大小、表面電荷（Zeta電位）、包封效率和顆粒濃度等特性，都會影響其在體內(nèi)的藥代動力學(xué)和藥效學(xué)行為。因此，優(yōu)化LNP的制備方法和配方組成，對于提高核酸藥物的遞送效率和治療效果至關(guān)重要。
圖3.脂質(zhì)納米顆粒的形成
LNP mRNA傳遞系統(tǒng)的作用機(jī)制
脂質(zhì)納米粒（LNP）作為mRNA的傳遞系統(tǒng)，其作用機(jī)制涉及多個(gè)步驟，確保mRNA安全有效地遞送到目標(biāo)細(xì)胞并表達(dá)蛋白。首先LNP的脂質(zhì)外殼可以保護(hù)mRNA免受外界環(huán)境（如血液、組織液）中核酸酶的降解，確保mRNA的穩(wěn)定性。LNPs會通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用被細(xì)胞攝取，LNP被細(xì)胞攝取后，會進(jìn)入內(nèi)涵體?？呻婋x脂質(zhì)在內(nèi)涵體的酸性環(huán)境中質(zhì)子化，帶正電荷，這有助于破壞內(nèi)涵體膜，使LNP能夠逃逸到細(xì)胞質(zhì)中。內(nèi)涵體逃逸后，mRNA從LNP中釋放出來，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。釋放的mRNA在細(xì)胞質(zhì)中被核糖體識別并翻譯成相應(yīng)的蛋白質(zhì)。翻譯后的蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)或分泌到細(xì)胞外，發(fā)揮其生物學(xué)功能。LNP的脂質(zhì)成分在完成遞送任務(wù)后，會在細(xì)胞內(nèi)逐漸被生物降解，釋放出的成分可以被細(xì)胞再利用或排出體外（圖4）。基于這一作用機(jī)制LNPs在保護(hù)mRNA、促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)傳遞、以及激活免疫反應(yīng)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。
圖4.LNP mRNA傳遞系統(tǒng)的作用機(jī)制
當(dāng)前LNP技術(shù)的應(yīng)用
脂質(zhì)納米粒（LNP）技術(shù)作為一種先進(jìn)的藥物遞送系統(tǒng)，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域顯示出其廣泛的應(yīng)用潛力。LNP技術(shù)在COVID-19 mRNA疫苗的開發(fā)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，成功實(shí)現(xiàn)了mRNA的高效遞送至人體細(xì)胞內(nèi)，激發(fā)免疫反應(yīng)，目前有60多種使用LNP遞送技術(shù)的疫苗和治療劑已經(jīng)獲得批準(zhǔn)或正在進(jìn)行臨床開發(fā)，其中30種已經(jīng)進(jìn)展到超過第一階段的臨床試驗(yàn)（圖5）。此外運(yùn)用LNP來封裝siRNA或mRNA，可以實(shí)現(xiàn)對腫瘤組織的靶向性藥物遞送，從而實(shí)現(xiàn)對癌癥的治療。通過將Cas9 mRNA和sgRNA封裝在LNP中，也可實(shí)現(xiàn)對特定基因的精確編輯。LNP也能夠作為蛋白質(zhì)替代療法遞送編碼治療性蛋白的mRNA，用于治療由蛋白質(zhì)缺陷引起的遺傳性疾病。針對一些罕見遺傳病，LNP技術(shù)可以封裝特定的基因編輯組件或治療性mRNA，為這些疾病提供潛在的治療方案等。LNP技術(shù)的多功能性和適應(yīng)性使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，隨著研究的深入和技術(shù)的優(yōu)化，預(yù)計(jì)將有更多的基于LNP遞送的核酸藥物上市，為多種疾病提供新的治療策略。
圖5.選定的lnp激活RNA疫苗和治療方法已超過I期臨床開發(fā)
寫在最后
總的來說，基于LNP的系統(tǒng)在核酸疫苗和治療劑遞送方面的顯著成功正在引領(lǐng)新一代基因治療的到來。這些系統(tǒng)在遺傳容量、重新劑量能力、可擴(kuò)展性、制造簡易性、成本低廉以及開發(fā)高度個(gè)性化的靶向治療方面，展現(xiàn)出了超越病毒和其他遞送系統(tǒng)的壓倒性優(yōu)勢。基于LNP遞送系統(tǒng)啟用的基因治療的未來前景顯然是變革性的。
參考文獻(xiàn)：
The 60-year evolution of lipid nanoparticles for nucleic acid delivery
肖女士
021-33392297
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