脂質(zhì)納米顆粒（LNPs）的用途、局限性及未來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景

脂質(zhì)納米顆粒（LNPs）有望徹底改變現(xiàn)代醫(yī)學(xué)。這項(xiàng)技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿�，它可以超越傳染病的范疇，到達(dá)曾經(jīng)被認(rèn)為無法用藥的靶點(diǎn)，治療幾乎無窮無盡的疾病。但這一領(lǐng)域仍處于起步階段，要充分釋放LNPs的潛力，還有許多挑戰(zhàn)需要克服。

 

 

LNPs的用途

多年來，科學(xué)家們已經(jīng)在簡化細(xì)胞模型和培養(yǎng)瓶中證明了核酸療法的潛力。然而，這些概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵谏�物體內(nèi)施用這些療法會(huì)增加其復(fù)雜性。LNPs使這些療法的施用方式成為可能，既能防止它們?cè)隗w內(nèi)降解，又能將它們輸送到靶點(diǎn)。
 

LNPs大大增加了尋找可藥物靶點(diǎn)的機(jī)會(huì)。有了LNPs，就有可能超越傳統(tǒng)的小分子療法，轉(zhuǎn)而采用基于核酸的療法。有了正確的設(shè)計(jì)，就有可能設(shè)計(jì)出適用于疫苗接種、蛋白質(zhì)替代療法和治療基因敲除的各種有效載荷的LNPs。

 

LNPs的局限性

基于mRNA的COVID-19疫苗在某些方面簡化了LNP的應(yīng)用。這些疫苗的接種頻率很低，一旦原有的保護(hù)作用開始減弱，就會(huì)注射加強(qiáng)針，而且肌肉注射的方式也很方便。雖然有效載荷的短暫性有助于通過強(qiáng)烈刺激免疫反應(yīng)使基于mRNA的COVID-19疫苗成為可能，但當(dāng)需要產(chǎn)品的持久性時(shí)，傳統(tǒng)mRNA-LNPs的短暫性就成了限制因素。
 

因此需要采用其他方法來實(shí)現(xiàn)有效的蛋白質(zhì)替代。理論上講，頻繁服用LNPs可能會(huì)導(dǎo)致免疫反應(yīng)和顆粒失活，不過自擴(kuò)增RNA（saRNA）可能有助于延長給藥間隔時(shí)間2。saRNA不僅能延長蛋白質(zhì)表達(dá)的持續(xù)時(shí)間，還能使用較低劑量的RNA，從而減少不良反應(yīng)。通過LNPs傳遞CRISPR/Cas9等基因編輯工具和相關(guān)的引導(dǎo)RNA可確保治療變化的持久性，但也有倫理方面的考慮。研究人員正在積極研究如何改變LNPs的脂質(zhì)成分以及添加特定的靶向配體，以解決這些問題，但仍有許多工作要做1,3,4。

 

LNP安全性和有效性方面的進(jìn)展

與傳統(tǒng)藥物一樣，LNP的配制必須做到利大于弊。LNP必須在儲(chǔ)存和體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)過程中保持穩(wěn)定，并避免被免疫系統(tǒng)檢測到，以到達(dá)其作用靶點(diǎn)。也就是說，LNPs必須有足夠長的體內(nèi)半衰期，但其配方必須能快速、完全地消除核酸有效載荷，避免在輸送核酸有效載荷后產(chǎn)生有毒代謝物。
 

LNP由可電離陽離子脂質(zhì)、輔助脂質(zhì)、甾醇脂質(zhì)和PEG化脂質(zhì)的脂質(zhì)混合物組成�？呻婋x陽離子脂質(zhì)是核酸有效載荷封裝和LNP效能的主要驅(qū)動(dòng)力，但它們也與LNP的耐受性、免疫原性和細(xì)胞毒性交織在一起5。
 

在可電離陽離子脂質(zhì)中添加多種環(huán)境響應(yīng)特性，大大提高了這些脂質(zhì)的生物相容性和生物降解性6,8�？呻婋x的陽離子脂質(zhì)含有在低pH值時(shí)獲得的瞬時(shí)正電荷，利用這種電荷不僅能封裝核酸有效載荷，還能將核酸有效載荷輸送到細(xì)胞中，并在毒性最小的情況下促進(jìn)內(nèi)質(zhì)體逸出。酯或酰胺連接基團(tuán)可被內(nèi)源酶裂解，從而促進(jìn)這些脂質(zhì)在細(xì)胞吸收時(shí)降解，而加入生物可還原的二硫鍵則有助于促進(jìn)核酸貨物在細(xì)胞質(zhì)中釋放7,8。
 

不過，一些可電離的陽離子脂類具有免疫刺激作用，其本身也能誘導(dǎo)免疫激活1。雖然這可以起到佐劑的作用，對(duì)疫苗等某些治療方式有益，但在其他一些適應(yīng)癥中，這種作用就不那么理想了。重復(fù)給藥LNPs所刺激的免疫反應(yīng)會(huì)隨著時(shí)間的推移抑制蛋白質(zhì)的翻譯，這是將LNPs大規(guī)模應(yīng)用于蛋白質(zhì)替代療法需要克服的一個(gè)重大障礙。
 

使用聚乙二醇脂質(zhì)也會(huì)引起對(duì)免疫原性的擔(dān)憂1,9。聚乙二醇化脂類可防止免疫系統(tǒng)的疏松作用和清除作用，使LNP成為隱形制劑，從而保護(hù)LNP在全身循環(huán)中不被迅速清除。它們能延長LNP的半衰期，有助于確保將其安全送達(dá)靶細(xì)胞。然而，PEG化脂類會(huì)引起炎癥反應(yīng)并阻礙微粒的吸收，這種現(xiàn)象被稱為“PEG困境”9。PEG化脂類可能具有免疫原性，導(dǎo)致PEG化過敏癥和抗PEGIgM和IgG的產(chǎn)生，這與PEG化脂類的意圖背道而馳，會(huì)加速LNPs的血液清除1。聚乙二醇化脂類也是又大又笨重的分子，雖然其目的是防止免疫系統(tǒng)攝取微粒，但也可能在遞送過程中抑制微粒的攝取，從而限制向靶細(xì)胞遞送治療藥物10。
 

研究人員一直在探索在LNP制劑中降低免疫原性并具有類似隱形活性的新技術(shù)。聚肌氨酸（pSAR）是一種基于內(nèi)源性氨基酸的合成聚合物，有望在LNPs中替代PEG化脂類11。用pSAR替代PEG化脂類配制的LNPs已被證明具有很高的轉(zhuǎn)染效率，而且免疫原性較低。因此，pSAR功能化LNPs有可能在不相應(yīng)增加副作用的情況下提高LNP的效力。

 

LNP表面修飾的靶標(biāo)選擇性

開發(fā)可選擇性靶向組織、細(xì)胞甚至亞細(xì)胞特異性位點(diǎn)的LNP是許多研發(fā)工作的重點(diǎn)。靶向療法不僅能擴(kuò)大LNP的應(yīng)用范圍，而且與傳統(tǒng)的小分子療法一樣，還能減少不必要的副作用。
 

利用基礎(chǔ)生物學(xué)所賦予的被動(dòng)遞送功能，一些靶點(diǎn)相對(duì)容易進(jìn)入，而另一些則比較困難，需要經(jīng)過深思熟慮設(shè)計(jì)的主動(dòng)靶向機(jī)制。某些器官的結(jié)構(gòu)有利于LNPs的積聚。由于體積小，LNPs很容易穿過上皮有柵欄的器官和/或接受高比例心輸出量的器官，如肝、脾和肺12-14。一些研究人員找到了改變LNP脂質(zhì)成分的方法，以進(jìn)一步將LNP引導(dǎo)到這些器官。定制LNP的凈表面電荷，以實(shí)現(xiàn)組織滋養(yǎng)（凈表面電荷為正值、中性和負(fù)值的LNP可分別靶向肺、肝臟和脾臟）。在傳統(tǒng)的四組份LNP混合物中加入第五種脂質(zhì)，即脂質(zhì)SORT分子，采用選擇性器官靶向(SORT)方法可進(jìn)一步調(diào)整LNP的遞送15,16。然而，肝臟、脾臟和肺部以外的部位也會(huì)出現(xiàn)很多疾病。要將LNP推向醫(yī)學(xué)的前沿，就必須制定戰(zhàn)略，將LNP輸送到任何部位。
 

由于血腦屏障的存在，影響大腦的疾病很難治療。盡管LNPs體積很小，但它們不會(huì)被動(dòng)地穿過血腦屏障。一些研究人員并沒有與生物學(xué)作斗爭，而是找到了利用生物學(xué)的巧妙方法。Qiaobing Xu的實(shí)驗(yàn)室了解到神經(jīng)遞質(zhì)是內(nèi)源性分子，其中一些可以穿過血腦屏障，因此合成了基于色胺的新型脂質(zhì)，色胺是許多神經(jīng)遞質(zhì)共有的官能團(tuán)17。這些源于神經(jīng)遞質(zhì)的類脂質(zhì)（稱為NT類脂質(zhì)）可以讓原本不透腦的LNP制劑通過血腦屏障。
 

抗體介導(dǎo)的遞送也可用于實(shí)現(xiàn)特異性細(xì)胞靶向。用針對(duì)特定受體的抗體裝飾LNPs表面，是一種將LNPs引導(dǎo)到靶細(xì)胞的有趣策略。然而，蛋白質(zhì)和脂質(zhì)之間的化學(xué)共軛很困難，而且要將抗體錨定在LNP表面并保持其功能定位也很有挑戰(zhàn)性18。利用錨定二級(jí)scFv靶向（ASSET）分子的靶向平臺(tái)可以解決這些問題。脂質(zhì)化的單鏈可變片段（scFv）很容易與LNPs結(jié)合。它們能識(shí)別抗體的Fc區(qū)并與之結(jié)合，確保抗體的Fab能與配體結(jié)合。使用這種方法可以利用大量的抗體-抗原配對(duì)，它可能被證明是靶向細(xì)胞特異性遞送的多功能平臺(tái)。

 

未來脂質(zhì)的考慮因素

LNP制劑中最大的懸而未決問題之一是如何在不產(chǎn)生過多免疫原性的情況下提高LNP效力。新型脂質(zhì)的鑒定是許多研發(fā)工作的主題。目前有大量可離子化的陽離子脂質(zhì)可供使用，而且其可用性和數(shù)量還在不斷增加。對(duì)可離子化陽離子脂質(zhì)的極性頭部基團(tuán)、連接基團(tuán)和/或疏水尾部進(jìn)行改性，將繼續(xù)提高LNPs的封裝和轉(zhuǎn)染效率，同時(shí)不影響生物相容性或生物降解性。
 

研究人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，合理設(shè)計(jì)新的脂質(zhì)很有好處。有些研究人員可能會(huì)從內(nèi)源化合物中獲得靈感，就像開發(fā)pSAR功能化LNP和NT類脂一樣。使用由內(nèi)源性構(gòu)件構(gòu)建的LNP成分可以避免毒性，因?yàn)樗鼈兏�容易生物降解或代謝成親水性更好、毒性最小的內(nèi)源性化合物。事實(shí)上，一些研究人員已經(jīng)開始探索外泌體—“自然界的脂質(zhì)納米顆粒”--作為一種更具生物仿生性的核酸療法遞送途徑19。還有一些人則希望利用現(xiàn)有化合物的特性來開發(fā)新的脂質(zhì)。已經(jīng)有人采用這種方法，利用已知的類收費(fèi)受體（TLR）激動(dòng)劑的結(jié)構(gòu)，開發(fā)出具有特殊佐劑活性的新脂質(zhì)。事實(shí)上，在傳統(tǒng)的四組分LNP中加入佐劑類脂，可以增強(qiáng)SARS-CoV-2mRNA疫苗的細(xì)胞免疫反應(yīng)，而且小鼠的耐受性良好20。
 

我們正處于一個(gè)新時(shí)代的開端，LNP技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以實(shí)現(xiàn)曾經(jīng)只是假設(shè)的療法的地步。要繼續(xù)在這一領(lǐng)域取得進(jìn)展，可能需要整合多種方法來解決LNP目前存在的局限性，并開展合作研發(fā)工作，汲取各科學(xué)學(xué)科的廣泛專業(yè)知識(shí)，將LNP帶到現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的前沿。

 

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