递送核酸药物的三大纳米载体系统

核酸药物研发领域是BioBAY当下的重点招商方向之一。与常规药物相比，核酸具有很好的优势。从理论上讲，基因治疗可以达到持久甚至治愈的效果。然而，由于核酸在体内的稳定性较低，且细胞外宿主清除迅速，因此将核酸运送到细胞内的活性部位是具有挑战性的。目前，脂质的纳米颗粒、聚合物纳米颗粒和无机纳米颗粒是最常见的三类非病毒纳米载体，被用于核酸药物递送。今日，我们为大家带来一篇文章，对这三类纳米载体做一个简要介绍，供大家了解相关作用机制。

基因递送策略通常分为病毒和非病毒递送载体，在过去的几十年中逐渐成熟。病毒可用于通过插入到病毒基因组来递送感兴趣的基因，然后是细胞感染和基因表达。具有高DNA转染效率的病毒，如慢病毒、逆转录病毒、腺病毒和腺相关病毒，长期以来一直用于治疗艾滋病毒、癌症和肌肉萎缩症等疾病。尽管病毒基因传递系统具有很高的细胞转染率，但由于现有抗体的快速清除、针对载体的中和抗体的产生、载体大小有限（通常低于7kb）以及可能的副作用为基因传递技术在生物医学研究和临床上的发展留下了广阔空间。

近年来，人们努力设计基于脂类、聚合物、多肽和无机化合物的非病毒基因递送系统。其中，脂质的纳米颗粒、聚合物纳米颗粒和无机纳米颗粒是最常见的三类非病毒纳米载体，被用于核酸药物递送。

图1. 递送核酸药物的纳米载体系统

基于脂质的纳米颗粒

基于脂质的纳米递送系统是使用最广泛的非病毒核酸载体，主要是因为它们在生理液体中具有稳定的纳米结构，并且它们与带负电荷的内体膜融合，从而能够有效地递送核酸。脂类是两亲性分子，含有一个极性的头部基团、一个疏水的尾部区域和两个结构域之间的连接物。基于脂质的纳米药系统通常含有其他脂类成分，如磷脂、胆固醇或聚乙二醇组分等（图2）。这些纳米粒子之间的主要差异取决于它们的脂质成分、合成参数、用于核酸包埋的方法。目前这些递送系统已经被应用于治疗遗传性疾病（如囊性纤维化和丙酸血症）和实体瘤等。

图2. 常用脂类的化学结构

脂质体

脂质体是由带有极性头部基团和非极性尾部的磷脂以及稳定剂（如胆固醇）组成的，由于其两亲性，它们可以自发地自组装成囊泡。阳离子脂类和两性离子通常利用脂类与带负电荷的核酸之间的静电作用来形成阳离子脂质体，从而提高包封率。较小的脂质体更有可能逃脱吞噬细胞的摄取（≤100nm）。然而，纳米粒子表面的正电荷可能会导致血清蛋白的非特异性结合和免疫刺激，导致中毒。为此，开发了聚乙二醇化阳离子脂质体作为替代品。脂质体的制备有三种典型的方法：薄膜水合、溶剂注射和反相蒸发。这些方法可以实现有效的药物包封率、窄的粒径分散和长期的稳定性。尽管脂质体作为核酸载体有很大的优势，但它们需要复杂的生产方法，需使用有机溶剂，这可能会不利于其大规模生产。

脂类纳米颗粒（LNPs）

LNPs（直径50-100nm）通常包括可电离和阳离子脂质、胆固醇、磷脂和聚乙二醇脂，其中可电离脂质在保护核酸免受核酸酶降解方面发挥主要作用。此外，辅助脂类，如磷脂和胆固醇，可以促进制剂稳定性和膜融合，大约需要30-40mol%的辅助脂类才能有效地将siRNA包埋在LNPs中。聚乙二醇脂类由亲水性聚乙二醇脂聚合物与疏水性脂质锚结合而成，可以改善循环半衰期和稳定性，防止LNPs清除。低分子量的聚乙二醇脂类可以减少非特异性蛋白质的吸附。此外，聚乙二醇脂含量决定了颗粒大小。例如，通过改变聚乙二醇脂类含量（0.25-5mol%）可获得大小从27nm到117nm的负载siRNA得LNPs，从而获得80nm的最佳大小以实现基因沉默效力。

与脂质体相反，LNPs在颗粒核心内具有胶束结构。此外，与脂质体相比，LNPs表现出更好的动力学稳定性和更坚硬的形态。大规模的商业制备方法可以获得更均匀的LNPs。可电离的LNPs在生理pH下具有近中性的电荷，但可电离脂质上的胺基在低pH时变得质子化并带正电荷，从而允许与核酸上带负电荷的磷酸基团组装。络合后，可以将pH调节到中性或生理pH，以便进行给药。体内注射后，可电离的LNPs可以从血液中渗出到靶组织。然后LNPs可以吸附到细胞表面，并通过内吞进入细胞。带正电荷的可电离脂质有助于内体逃逸，并与内体脂膜上的负电荷相互作用，从而导致内小体不稳定，促进核酸释放（图3）。

图3. LNPs结构及其在递送核酸药物的治疗过程

聚合物纳米颗粒

聚合物纳米颗粒是使用天然聚合物，如葡聚糖、壳聚糖、环糊精或合成聚合物制备，从而可以制造出具有不同组成和结构的聚合物纳米颗粒。最常见的聚合物纳米颗粒形式是纳米胶囊和纳米球，它们有多个亚类，如多聚物、聚合体和树枝状大分子。聚合物纳米颗粒具有合成和简单、结构多样性、合成可扩展性、高转染率、基因免疫原性和良好的生物相容性等优点，是最有前途的核酸药物纳米递送材料之一。

多聚物包含阳离子聚合物，例如，PEI、壳聚糖和可生物降解的聚酯，它们通过静电相互作用与核酸结合并凝聚成小而紧密的结构。缩合的过程是由熵驱动的，当阳离子聚合物与核酸混合时，多聚物自发产生。对于它们的制备，通常使用相对于寡核苷酸的过量阳离子聚合物，这会产生表面带正电荷的颗粒，并更好地将核酸凝聚成更小尺寸的纳米颗粒。核酸被包裹在聚合物基质中，并受到聚合物链的保护，这可以立体地阻止核解酶的进入。此外，通过引入疏水元素，例如烷基，以通过疏水聚集或通过在颗粒核心内加入共价交联剂来促进颗粒形成，可以实现聚合物的更高的包装稳定性。

聚合体，也称为聚合囊泡，是由两亲嵌段共聚物通过疏水作用自组装而成的。两亲性嵌段共聚物的亲水性决定了其自组装形态。一般情况下，聚合体的亲水性约为35±10%。聚合物的制备方法主要采用脂质体得方法，包括直接溶解共聚物、膜复水、溶剂交换和探头超声。通常，由于生物大分子的亲水性，各种核酸，如pDNA、ASOs和siRNA，可以很好地被包裹到聚合物囊泡的内部水核中。由ABC三嵌段共聚物形成的具有不对称膜的聚合体被用来增加内水核的体积，改善核酸包裹性。

树枝状大分子已通过发散或收敛方法在反应步骤的迭代序列中合成。每一个连续的反应步骤都会导致额外的一代分支，重复循环的数量被定义为树枝状大分子的生成。树枝状大分子的质量和大小可以通过调节树枝状大分子的代数来控制，而树枝状大分子的表面可以很容易地通过不同分子与反应端的偶联来功能化，这使得它们在基因递送应用中具有吸引力。一些树枝状大分子，如PAMAM、聚丙烯亚胺和PLL，具有明确数量的正电胺基基团，允许通过离子相互作用连接核酸。例如，由miRNAs的三股螺旋与PAMAM G5树枝状大分子络合形成的RNA纳米颗粒创建了一种分支海绵状纳米结构，可用于调节乳腺肿瘤微环境中的关键遗传驱动因素。

对于聚合物和树枝状大分子，可以将亲水性聚合物如聚乙二醇链连接到纳米颗粒表面，以提高血清的稳定性和生物相容性。对于所有类型的聚合物纳米颗粒，靶向部分（包括抗体、转铁蛋白、叶酸和糖苷部分）附着到纳米颗粒表面，通过靶向部分和靶细胞表面的分子之间的相互作用来增加细胞摄取和靶细胞特异性。通过将具有未质子化胺基的部分，例如，PEI、壳聚糖，结合到聚合物纳米颗粒中，质子海绵效应可能会引起内膜肿胀和破裂，从而促进内膜逃逸。

无机纳米颗粒

无机纳米颗粒已经被研究用于核酸递送和成像，包括金纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒和氧化铁纳米颗粒。它们可以被设计成特定的尺寸、结构和几何形状。在无机纳米粒子中，金和氧化铁纳米粒子通常被认为是无毒的纳米材料。

金纳米颗粒

金纳米粒子具有独特的光学特性、合成简单和表面功能化，可通过共价或非共价缀合与核酸选择性协同修饰。核酸链通过硫醇基团共价连接到金纳米颗粒核心上（通常为13-15nm）。这一策略可用于DNA和siRNA，它们可以直接连接到金核或聚合物修饰的金核上。金纳米颗粒表面可以通过交替的阴离子核酸和聚阳离子层（如PEI或PAMAM）以及通过添加靶向配体来包封，从而实现纳米颗粒与细胞表面受体的特定相互作用和结合。然而需要考虑配体的长度、密度、疏水性和亲和力，并对其进行优化以有效地靶向纳米颗粒。

二氧化硅纳米颗粒

二氧化硅纳米颗粒（直径100-250nm）由于其良好的生物相容性和可调性而被用于核酸递送。通常，核酸分子通过弱的非共价相互作用被装载到二氧化硅纳米颗粒中。孔的大小和表面官能化程度对负载量和核酸释放率起着至关重要的作用。具有小孔的二氧化硅纳米颗粒可以为小分子核酸提供可调的释放速率，而较大的孔可以提供更高的负载能力和更快的释放速率。例如，小孔（2.5-5nm）的二氧化硅纳米颗粒适合于传递小的siRNA，而大孔（15nm以上）的二氧化硅纳米颗粒适合于负载大的pDNA40。二氧化硅纳米颗粒的负电荷表面可以共价修饰为阳离子表面，从而极大地影响药物装载、蛋白质吸附和释放速率。通过添加不同类型的阳离子大分子，包括PEI、树枝状大分子和脂类，已经被用来修饰二氧化硅纳米颗粒表面以吸附和传递核酸。

氧化铁纳米颗粒

氧化铁纳米颗粒（由Fe3O4或Fe2O3组成0具有一定尺寸的超顺磁性，作为输送载体和基于热的疗法显示了成功的效果。这些传递系统中的大多数依赖于表面工程的阳离子氧化铁纳米颗粒，这些纳米颗粒与阴离子核酸药物静电相互作用。例如，50-100nm的脂类包裹的氧化铁纳米颗粒显示出最佳的siRNA递送活性。

小结

基于核酸的疗法正在给制药领域带来革命性的变化，因为它们可以针对疾病的遗传基因，而不是下游的蛋白质，这为许多棘手的疾病提供长期甚至潜在的治愈可能。然而核酸药物本身在体内的稳定性较低，且易被迅速清除。用于核酸输送的纳米材料为解决这些难点提供了可能。由于它们具有物理化学性质的可调性，它们可以很容易地与任何类型的生物分子结合，用于选择性的靶向。目前ASOs、mRNA、siRNA等核酸疗法已被广泛用于调节DNA或RNA的表达，基因疗法与纳米级递送系统相结合，显著得拓宽了这些分子的治疗和生物医学应用，包括生物分析、基因沉默、蛋白质替代和疫苗等方面。

参考文献

1. Nanodelivery of nucleic acids.

2. Gene therapy comes of age.

3. Recent advances in the development of gene delivery systems.

4. Delivery of drugs, proteins, and nucleic acids using inorganic nanoparticles.

5. Engineering precision nanoparticles for drug delivery.

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