科研助攻 | 药物如何递送 ?脂质纳米颗粒!
脂质纳米颗粒作为 COVID-19 mRNA 疫苗的重要组成部分,在有效保护 mRNA 和将 mRNA 转运到细胞的过程中发挥关键作用。裸的 DNA 或 RNA 在体液中容易被核酸酶迅速降解,难以在靶组织中积累。且免疫系统也能够识别并降解外源性的核酸引发免疫反应[1]。
基于 DNA 或 RNA 的基因疗法遇到的最大问题便是药物递送。为了实现安全有效的核酸递送,科学家们开发了脂质纳米颗粒(Lipid nanoparticle, LNP)以保护核酸不被降解,最大限度地向靶细胞递送,并减少核酸对脱靶细胞的暴露。
图 1. 不同类型脂质体药物递送系统的示意图[4]。
(A) 传统脂质体;(B) 聚乙二醇化脂质体;(C) 配体靶向脂质体;(D) 治疗诊断脂质体。
脂质纳米颗粒是由一个 (单层) 或多个 (多层) 磷脂双层组成的球形囊泡,通常由四种成分组成:阳离子脂质 (Cationic lipids)、辅助脂质 (Helper lipids)、胆固醇 (Cholesterol) 和聚乙二醇化脂质 (Pegylated lipids, PEG-lipids) (图 2)。
图 2. 含有 mRNA 的脂质纳米颗粒的示意图[1]。
▐ 阳离子脂质
▐ 聚乙二醇化脂质
聚乙二醇化脂质是另一种重要的脂质纳米颗粒成分,聚乙二醇脂质(如 DMG-PEG 2000 和 DSPE-MPEG-2000)是由亲水性聚乙二醇通过磷酸盐、甘油或其他连接物与疏水性烷基链结合而成。 聚乙二醇化脂质位于脂质纳米颗粒的表面,脂质结构域深埋在颗粒中,聚乙二醇结构域从表面伸出。
聚乙二醇化脂质可以延长脂质体的循环时间,因为聚乙二醇形成了一个空间屏障,防止血浆蛋白的结合,否则会导致它们被网状内皮细胞快速清除[8]。
此外,聚乙二醇化脂质还可以控制纳米颗粒的大小。这是因为在制造过程中低 pH 和乙醇环境将促进脂质纳米颗粒聚集融合,而聚乙二醇化脂质的位阻屏障防止了这种情况的发生,并有助于产生具有窄多分散性和小粒径的均匀颗粒群 (通常为50–100 nM)[8][9]。完全缺少聚乙二醇脂质的配方会产生不稳定的、多分散的脂质纳米颗粒[9]。
图 4. 聚乙二醇脂质含量对脂质纳米颗粒形态和大小的影响[10]。
▐ 胆固醇
胆固醇具有疏水性和刚性,可填充脂质体膜内脂质之间的空隙,促进囊泡的稳定性。胆固醇衍生物的分子几何结构可以进一步影响脂质纳米颗粒的递送效果和生物分布。辅助脂质多为磷脂(phospholipids),如 DSPC 和 DOPE,通过促进与细胞和内体膜的融合,促进细胞摄取和内涵体释放。
已知超过 40% 治疗癌症的小分子药物在水中溶解度低,而脂质体作为药物递送系统能够封装这些药物并提高其水溶性,降低了药物对正常组织的毒性,延长了药物的停留时间。许多脂质纳米颗粒药物制剂已经被广泛应用于许多临床试验,作为抗癌、抗炎、抗生素、抗真菌、麻醉剂和其他药物和基因疗法的递送系统,尤其是在递送核酸药物领域。
例如,最早获批的脂质体药物 Doxil,一种抗肿瘤药物阿霉素的脂质纳米粒制剂,使用纳米颗粒延长在人血浆中的循环时间,同时降低阿霉素的心脏毒性[11]。
其次,核酸药物 Patisiran,一种在脂质纳米颗粒负载的 siRNA 药物,可减少肝脏中转甲状腺素蛋白的形成,最近获得 FDA 批准用于治疗遗传性转甲状腺素蛋白介导的淀粉样变性。它是最早获批脂质纳米颗粒制剂核酸药物,被视作核酸疗法发展的重要里程碑。
此外,脂质纳米颗粒最新的成功应用是 Pfizer/BioNTech 和 Moderna 获批上市的两种 COVID-19 mRNA 疫苗的递送载体。两种 mRNA 疫苗的脂质纳米颗粒的组成非常相似(图 5A)。
不过,未经修饰的脂质纳米颗粒同样具有局限性。脂质纳米颗粒会在肝脏积聚,缺乏肝脏以外器官靶向选择性。
一篇题为"Lung-selective mRNA delivery of synthetic lipid nanoparticles for the treatment of pulmonary lymphangioleiomyomatosis" 的文章中,研究团队通过文库筛选发现 N 系列脂质(尾部含有酰胺键)制备的纳米颗粒能够选择性地将 Cre mRNA 递送到小鼠肺中,而且只要调整 N 系列脂质的头部结构就可以实现靶向不同的肺细胞类型(图 4)。
在 306-N16B LNP 中,33.6% 的肺内皮细胞被转染,1.5% 的上皮细胞和 1.9% 的巨噬细胞被转染。而 113-N16B LNP 优先将 Cre mRNA 传递给内皮细胞(占内皮细胞总数的 69.6%),但也传递给巨噬细胞 (18.9%) 和上皮细胞 (7.3%) 。这一研究有助于解决脂质纳米颗粒向肝脏以外器官(如肺和肾)的有效递送的问题。
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