傳遞遺傳信息到體內(nèi)目標細胞內(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，基于脂質的系統(tǒng)，特別是脂質納米粒子（LNPs），在實現(xiàn)核酸疫苗和治療劑的遞送方面取得了顯著進展。
傳遞遺傳信息到體內(nèi)目標細胞內(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，基于脂質的系統(tǒng)，特別是脂質納米粒子（LNPs），在實現(xiàn)核酸疫苗和治療劑的遞送方面取得了顯著進展。在這里我們基于脂質納米粒子（LNPs）在核酸遞送中60年發(fā)展歷程，詳細介紹了脂質體和脂質復合物的發(fā)展、脂質納米粒子遞送系統(tǒng)的開發(fā)以及未來的展望。
圖1.導致lnp激活RNA疫苗和療法的事件時間表
1958年，分子生物學的中心法則被提出，即DNA到RNA再到蛋白質的信息流，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；1964年到1973年期間，脂質體（liposomes）和鈣-磷酸鹽-DNA共沉淀法被發(fā)現(xiàn)，這為后續(xù)的LNP技術提供了技術原型；1981年，病毒載體進行基因治療的概念被提出，這一概念對后續(xù)LNP技術的發(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技術發(fā)展進入關鍵時期，Inex Pharmaceuticals和UBC開始合作研究，開發(fā)基于脂質的核酸遞送系統(tǒng)；1995年到1999年期間，LNP技術中關鍵的脂質成分離子化的可電離陽離子脂質DODAP穩(wěn)定質粒脂質體（SPLP）被開發(fā)，標志著LNP技術進入新階段。2001年到2012年期間，穩(wěn)定反義脂質體（SALP）、穩(wěn)定核酸脂質體（SNALP）配方和LNP siRNA相繼被開發(fā)出來，使得LNP技術得到了進一步發(fā)展；2015年到2024年期間，LNP技術在mRNA遞送方面的發(fā)展及應用，標志著LNP技術在疫苗領域的成功應用（圖1）。LNP技術從早期的脂質體研究到現(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用奠定了基礎。
脂質體是在水中分散的脂質形成的多層囊泡，通常由一個或多個脂質雙層組成，這些雙層圍繞一個或多個水性腔室。脂質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)定的結構。同時，為了提高脂質體的循環(huán)時間和靶向性，脂質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。由于脂質體可以通過內(nèi)吞作用進入細胞，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。因此脂質體可以作為藥物和基因治療劑的載體。脂質體在藥物遞送和基因治療中起關鍵作用，脂質體的穩(wěn)定性、循環(huán)特性、細胞攝取效率都會對最終的治療效果產(chǎn)生極大影響。
圖2.脂質體的形成和結構
LNP的形成是一個復雜的過程，涉及精確的化學和物理操作，以確保核酸的有效包裹和遞送。這些顆粒的設計允許它們在體內(nèi)循環(huán)，特異性地靶向和進入細胞，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用。LNP由四種主要脂質成分組成，包括可電離脂質（或陽離子脂質）、輔助脂質、膽固醇和聚乙二醇化脂質（PEG-脂質）。這些脂質首先在有機溶劑（如乙醇）中溶解，形成均勻的脂質溶液；之后將含有核酸（如mRNA）的水相溶液與脂質的有機相溶液快速混合。在混合過程中，可電離脂質在水相中質子化，帶正電荷，與帶負電荷的核酸磷酸骨架發(fā)生靜電結合。然后在混合后的溶液中，脂質成分由于疏水作用和范德華力相互作用，自發(fā)組織成納米結構實體。這一過程中，脂質成分圍繞核酸形成多層囊泡或納米結構核心。再然后通過改變PEG-脂質的量或混合參數(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，形成不帶電的納米脂質顆粒。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成分（圖3）。LNP的形成過程對其最終的物理化學性質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)的藥代動力學和藥效學行為。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重要。
圖3.脂質納米顆粒的形成
脂質納米粒（LNP）作為mRNA的傳遞系統(tǒng)，其作用機制涉及多個步驟，確保mRNA安全有效地遞送到目標細胞并表達蛋白。首先LNP的脂質外殼可以保護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會通過受體介導的內(nèi)吞作用被細胞攝取，LNP被細胞攝取后，會進入內(nèi)涵體?？呻婋x脂質在內(nèi)涵體的酸性環(huán)境中質子化，帶正電荷，這有助于破壞內(nèi)涵體膜，使LNP能夠逃逸到細胞質中。內(nèi)涵體逃逸后，mRNA從LNP中釋放出來，進入細胞質。釋放的mRNA在細胞質中被核糖體識別并翻譯成相應的蛋白質。翻譯后的蛋白質在細胞內(nèi)或分泌到細胞外，發(fā)揮其生物學功能。LNP的脂質成分在完成遞送任務后，會在細胞內(nèi)逐漸被生物降解，釋放出的成分可以被細胞再利用或排出體外（圖4）?；谶@一作用機制LNPs在保護mRNA、促進細胞內(nèi)傳遞、以及激活免疫反應方面發(fā)揮關鍵作用。
圖4.LNP mRNA傳遞系統(tǒng)的作用機制
脂質納米粒（LNP）技術作為一種先進的藥物遞送系統(tǒng)，已經(jīng)在多個領域顯示出其廣泛的應用潛力。LNP技術在COVID-19 mRNA疫苗的開發(fā)中發(fā)揮了關鍵作用，成功實現(xiàn)了mRNA的高效遞送至人體細胞內(nèi)，激發(fā)免疫反應，目前有60多種使用LNP遞送技術的疫苗和治療劑已經(jīng)獲得批準或正在進行臨床開發(fā)，其中30種已經(jīng)進展到超過第一階段的臨床試驗（圖5）。此外運用LNP來封裝siRNA或mRNA，可以實現(xiàn)對腫瘤組織的靶向性藥物遞送，從而實現(xiàn)對癌癥的治療。通過將Cas9 mRNA和sgRNA封裝在LNP中，也可實現(xiàn)對特定基因的精確編輯。LNP也能夠作為蛋白質替代療法遞送編碼治療性蛋白的mRNA，用于治療由蛋白質缺陷引起的遺傳性疾病。針對一些罕見遺傳病，LNP技術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技術的多功能性和適應性使其在生物醫(yī)學領域具有廣泛的應用前景，隨著研究的深入和技術的優(yōu)化，預計將有更多的基于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、可擴展性、制造簡易性、成本低廉以及開發(fā)高度個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：
The 60-year evolution of lipid nanoparticles for nucleic acid delivery
肖女士
021-33392297
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