用于mRNA**的納米材料遞送系統(tǒng)

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來源：藥渡

2021-04-06

COVID-19的大流行把mRNA**推向整個生物藥行業(yè)的C位，ioNTech/ Pfizer，Moderna已經(jīng)上市，在歐美廣泛接種。

簡介

COVID-19的大流行把mRNA**推向整個生物藥行業(yè)的C位，ioNTech/ Pfizer，Moderna已經(jīng)上市，在歐美廣泛接種。值得注意的是二者的遞送系統(tǒng)均為脂質納米顆粒。**開發(fā)的速度也超出了預期，這些結果僅在SARS-CoV-2序列公開發(fā)布后10個月才出現(xiàn)。

與其他藥物形式（包括小分子，DNA，寡核苷酸，病毒系統(tǒng)和蛋白質，包括抗體）相比，mRNA治療劑具有許多優(yōu)勢和若干挑戰(zhàn)。與DNA相比，mRNA僅需要進入細胞質核糖體翻譯，而無需進入細胞核，因此不存在基因組整合的風險。與蛋白質和病毒系統(tǒng)相比，mRNA的生產(chǎn)過程無細胞，速度更快，并且蛋白質產(chǎn)物具有天然的糖基化和構象特性。當與脂質納米顆粒（LNP）輸送系統(tǒng)結合使用時。

技術平臺開發(fā)中的主要挑戰(zhàn)因素

自身的免疫原性、對酶促降解的敏感性導致不穩(wěn)定、裸mRNA難以被細胞攝取。mRNA的固有免疫原性歸因于細胞通過Toll樣受體（TLR），激活免疫系統(tǒng)，盡管這種激活可能有助于增強對mRNA**的免疫反應，但直接的作用是通過eIF2a的PKR磷酸化來下調翻譯，這削弱了eIF2的活性，抑制了mRNA的翻譯，從而抑制了對蛋白質合成。消除這種先天免疫應答的主要方法是在序列中使用例如1-methylpseudouridine和其他存在tRNA和rRNA中的不常見的核苷酸而不是常見的核苷酸，是的固有免疫系統(tǒng)對他們不敏感。這種修飾技術已經(jīng)在在BioNTech / Pfizer和Moderna SARS-CoV-2**中使用，并且在臨床試驗中顯示出> 94％的有效效。另一種方式是CureVac所采用的：通過密碼子優(yōu)化和盡量不使用鳥苷酸，因為TLR7和TLR8主要識別富含GU的單鏈RNA序列。

mRNA治療的第二個挑戰(zhàn)是其對核酸酶的敏感性，例如血清中半衰期小于5分鐘。盡管siRNA的化學修飾在提高穩(wěn)定性和降低免疫原性方面非常成功，但迄今為止，由于翻譯機制對這些修飾的敏感性，它們尚未成功用于mRNA修飾。

mRNA的第三個挑戰(zhàn)是除未成熟的樹突狀細胞外，大多數(shù)細胞類型中缺乏裸露的mRNA的細胞攝取能力。通過合適的遞送系統(tǒng)攜帶mRNA可以解決這最后兩個挑戰(zhàn)，既可以保護mRNA不受酶的攻擊，又可以促進細胞的攝取。比如，在動物模型中使用脂質納米顆粒載體系統(tǒng)與nakedmRNA相比，mRNA的表達效率可以提高1000倍。

遞送系統(tǒng)

這些臨床試驗中的所有mRNA遞送系統(tǒng)都是脂質納米顆粒，輝瑞-BioNTech LNP和Moderna LNP的確切組成已公開披露，而其他一些則沒有，其他的都最有可能類似于Alnylam Onpattro™產(chǎn)品。

脂質納米顆粒的組裝和結構

目前，mRNA脂質納米顆粒的生產(chǎn)方法利用微流體或T型接頭混合，將含有疏水性脂質的乙醇相和含有mRNA的水相快速混合在pH值為4的緩沖液（如乙酸）中。微流體混合的優(yōu)勢在于能夠將乙醇中的極少量脂質與水溶液中的mRNA（數(shù)十微升）混合，從而可以篩選許多組分和配方參數(shù)。

另一方面，T-mixing是商業(yè)生產(chǎn)大批mRNA LNP（例如當前臨床試驗中的LNP）的通用選擇方法。最近的文獻證明這兩種方法均可以生產(chǎn)大小和形態(tài)相似的LNP顆粒，將最終生產(chǎn)的顆粒尺寸限制為<100 nm，其中兩種溶液的快速混合是關鍵。由這些溶液組裝和形成LNP的過程是由疏水力和靜電力共同驅動的。四種脂質（可電離脂質，DSPC，膽固醇，PEG-脂質）最初可溶于乙醇，而沒有其他可中和的離子，因此可電離的脂質為非質子化且電中性。通常將一體積的含脂質的乙醇溶液與三體積的mRNA在pH = 4的醋酸鹽緩沖液中混合，這樣，當脂質與含水緩沖液接觸時，它們變得不溶于3：1的水/乙醇溶劑和可電離的脂質變成質子化并帶正電荷，然后驅使它與mRNA的帶負電荷的磷酸骨架靜電結合，形成包裹mRNA的脂質顆粒并在水溶液中懸浮液中。

該過程中的關鍵成分是PEG-脂質，因為PEG鏈是親水性的，因此可以包覆顆粒，并決定其最終的熱力學穩(wěn)定尺寸。通過改變PEG的摩爾分數(shù)，可控制LNP的大小，例如100 nm顆粒時PEG-脂質為0.5％摩爾分數(shù)，43 nm 顆粒粒徑事PEG-脂質為3％摩爾分數(shù)。

最近一項重要數(shù)據(jù)顯示，當將mRNA LNP懸浮液在水性緩沖液中稀釋或在水性緩沖液中透析以提高pH值并消除乙醇時，LNP的結構和大小在混合后仍在繼續(xù)變化。水相和脂質相的初始混合產(chǎn)生的pH值接近5.5，使可電離脂質質子化，其LNP pKa值接近6.5，并促使mRNA結合和封裝。隨后通過稀釋、透析或切向流過濾提高pH值，可中和可電離的脂質，當可電離脂質變?yōu)橹行詴r，它的溶解度也降低，導致形成較大的疏水性脂質結構域，從而驅動LNP的融合過程，從而增大其尺寸，LNP的核心變成非晶態(tài)的電子致密相，主要是含有與mRNA結合的可電離脂質。據(jù)估計，在此過程中，多達36個囊泡可融合形成僅一個最終的LNP。這項研究以及另一項使用中子散射方法的研究也表明，DSPC在LNP外圍PEG層的下方形成一個雙層，其中心核心主要是與mRNA結合的可電離脂質。

遞送系統(tǒng)性能的決定因素

mRNA傳遞系統(tǒng)的性能決定因素是多因素的且相互作用的，包括：（1）它們傳遞至合適細胞并有效釋放mRNA到細胞質進行翻譯的效率；（2）佐劑，可增強免疫反應，已知脂質納米顆粒具有其自身的佐劑活性；（3）將注射部位過度炎癥或全身分布和脫靶表達可能引起的不良事件或**的影響降至最低。4）劑量：在SARS-CoV-2臨床試驗中，目前正在追求的大劑量劑量最容易理解mRNA遞送系統(tǒng)的效力，從1到100 μg。人體試驗中的劑量明顯分為高劑量的核苷修飾RNA（Moderna，BioNTech）30–100 μg，未修飾的RNA（CureVac，Translate Bio）較低的7.5–20 μg，甚至低劑量的10–10 μg；5）LNP最常引用的決定其效價或遞送效率的特征是其pKa。pKa是LNP中50％的可電離脂質質子化的pH。一個很好的解釋這種pKa依賴性的模型是基于LNP中的可電離脂質在pH 7.4時接近中性，而在內化進入細胞后，內體的pH值隨著通過內溶酶體途徑的發(fā)展而開始下降。使可離子化的脂質質子化，然后將其與內體的陰離子內源性磷脂結合并破壞其雙層結構，從而將mRNA釋放到細胞質中通過核糖體進行翻譯。

結論

在過去的二十年中，mRNA治療技術取得了非凡的進展，首先是確定了使用修飾的核苷和序列工程技術來控制mRNA固有免疫原性的方法，以及在**和其他治療適應癥中應用mRNA的方法。與以前的系統(tǒng)相比，采用siRNA傳遞中使用的脂質納米顆粒原型導致傳遞效率提高了一個數(shù)量級，并且仍在不斷提高，這主要歸功于新型可電離脂質的設計。mRNA LNP結構、功能、效價、靶向性和生物學特征（如佐劑性）的許多方面仍有待探索，以便充分利用這種強大的轉化治療方式的潛力。

參考文獻：

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7836001/， Nanomaterial Delivery Systems for mRNA Vaccines.

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