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【材料】基于三维结构的可电离BCP氨基脂质的设计及其在mRNA疫苗和基因编辑治疗中的应用

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2024-12-26 08:09

正文

mRNA技术已成为疫苗、蛋白替代疗法、癌症免疫疗法和基因编辑等医学领域的重要平台，其在COVID-19疫苗中的成功应用凸显了脂质纳米颗粒（LNP）在递送中的关键作用。LNP的核心成分是可电离氨基脂质，它通过独特的pH响应和膜融合特性克服了mRNA递送的关键障碍。然而，目前可电离氨基脂质的化学结构主要局限于二维 (2D) 设计。

近日， 德克萨斯大学西南医学中心Daniel Siegwart、秦天 等研究者重点研究了 基于三维结构的新型可电离氨基脂质的设计及其在mRNA疫苗和基因编辑治疗中的应用 。受小分子药物三维结构改良显著提升溶解性、代谢稳定性和生物活性的启发，研究团队首次引入了 包含3D双环[1.1.1]戊烷（BCP）核心的可电离脂质 ，与传统的二维结构相比，这种设计显著提高了mRNA递送效率。实验表明，基于BCP核心的脂质纳米颗粒（LNP）在肝脏和脾脏中的mRNA递送效率显著优于基于2D结构的苯环和环己烷基脂质的LNP。经过多次筛选及优化，BCP-NC2-C12 LNPs在CRISPR/Cas9基因敲除中实现了近90%的PCSK9血清蛋白水平降低，性能优于现有的2D对照和临床使用的DLin-MC3-DMA LNPs。本文成功将可电离氨基脂质从二维拓展至三维，为提升mRNA递送和基因编辑效率提供了新的思路，为基因药物的持续开发开辟了重要路径。相关论文发表于 J. Am. Chem. Soc .，第一作者为 吴诗樱 。

图1. 该图展示了可电离BCP氨基脂质的设计以及合成路线。

通过设计的合成路线（图1），成功获得了一系列BCP脂质。随后，将BCP脂质与DOPE、胆固醇及DMG-PEG按23.8/23.8/47.6/4.8的摩尔比例混合，制备了脂质纳米颗粒（LNPs），以优化mRNA递送。使用该脂质纳米颗粒包裹Luc mRNA进行表征，BCP LNPs表现出良好的mRNA包封效率（>80%），均匀的粒径分布（~150 nm）和较低的多分散指数（PDI<0.2) 。进一步研究表明，BCP LNPs在不同的磷脂替代和摩尔比条件下仍然保持活性，展示了其高度的模块化特性。体外实验中，BCP LNPs在IGROV-1细胞中的mRNA递送效率显著，且细胞存活率高于90%，展现了其优异的生物相容性（图2）。

图2. BCP LNPs的制备与其体外递送效率。

动物实验中，使用含0.1 mg/kg Luc mRNA的BCP LNPs静脉注射C57BL/6小鼠，并在注射后6小时记录全身生物发光成像。实验显示，酰胺链接（AL）BCP脂质的总荧光活性（肝脏和脾脏信号总和）高于酯链接（EL）BCP脂质。此外，疏水尾的长度也对递送效率产生影响。在所有BCP脂质中，BCP-NC2-C12和BCP-OC4-C11在各自组中表现出最高的mRNA递送效率。特别是，BCP-NC2-C12 LNPs的肝脏递送效率比临床使用的DLin-MC3-DMA LNPs高25倍，表明BCP LNPs在基因药物递送领域具有广阔的应用潜力（图3）。

图3. BCP LNPs体内递送效率研究。

研究作者进一步发现器官靶向性与可电离脂质的连接键有关。酰胺链接（AL）脂质主要在肝脏介导蛋白表达，而酯链接（EL）脂质则更偏向脾脏，进一步研究发现这种器官选择性与LNPs的pKa值相关。AL LNPs的pKa为6-8，EL LNPs的pKa约为4-5，这与既往研究中器官选择性的pKa范围一致（图4）。

图4. BCP LNPs的器官靶向性及其pKa值测量。

为验证BCP脂质的三维结构是否优于二维苯环等效物的mRNA递送效率，作者设计并合成了一系列对照脂质，包括苯环、顺式（ cis -H）和反式（ trans -H）环己烷核心的脂质，并保留BCP脂质的合成路线及其他变量一致的LNP组装配方。研究结果显示，BCP LNPs在体内外的mRNA递送效率显著高于2D核心对照组（苯环、顺式和反式环己烷）。进一步的冷冻电镜分析表明，BCP-NC2-C12 LNPs具有类似双连续立方相 (QII) 的纳米结构表面形态，可能与其改善内涵体膜融合的能力相关。这些结果强调了BCP独特的3D结构对mRNA递送效率的增强作用，并为后续深入研究提供了基础。

图5. 三维（3D）BCP LNPs 与基于二维（2D）的苯环、顺式（ cis -H）和反式（ trans -H）环己烷核心的脂质LNPs的比较。

作者随后进一步评估BCP LNPs在治疗性应用中的潜力，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术进行了一项验证性研究，以破坏治疗家族性高胆固醇血症和动脉粥样硬化心血管疾病的关键靶点基因PCSK9。通过BCP LNPs（以BCP-NC2-C12为代表）、对照LNPs和基准LNP（DLin-MC3-DMA），共递送Cas9编码mRNA和sgPCSK9至C57BL/6小鼠。实验结果表明，BCP-NC2-C12 LNPs在PCSK9位点引起了约36%的插入缺失突变（通过TIDE确认），导致血液中PCSK9蛋白水平降低约90%，远高于对照组LNPs（仅5-8%突变率，蛋白水平降幅较低）。整体来看，BCP-NC2-C12 LNPs在基因敲除和PCSK9蛋白水平抑制方面表现显著优于对照和基准LNPs，展示了其在治疗性mRNA递送和基因编辑应用中的巨大潜力（图6）。

图6. BCP LNP 介导高效的 Pcsk9 敲除。

总结与展望

本研究将三维BCP结构引入到可电离氨基脂质设计。通过模块化合成，构建了一个BCP脂质库，并系统研究了其mRNA递送的构效关系（SAR）在体内外的表现。3D BCP脂质在所有测试中显著优于二维核心设计，其mRNA肝脏递送效率比临床使用的DLin-MC3-DMA LNP基准高出25倍。此外，通过调节酰胺（AL）和酯（EL）链接，实现了体内组织趋向性的精确控制。以BCP-NC2-C12为代表的3D BCP LNPs在体内CRISPR/Cas9基因编辑中效率提升了7.2倍，并表现出良好的耐受性，展现出临床应用的潜力。本研究为可电离脂质设计提供了新的方向，有望显著提升mRNA递送和基因治疗在广泛医学领域中的应用效率。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Isosteric 3D Bicyclo[1.1.1]Pentane (BCP) Core-Based Lipids for mRNA Delivery and CRISPR/Cas Gene Editing

Shiying Wu, Yangyang Yang, Xizhen Lian, Fangyu Zhang, Chao Hu, Jet Tsien, Zexiang Chen, Yehui Sun, Amogh Vaidya, Minjeong Kim, Yun-Chieh Sung, Yufen Xiao, Xiaoyan Bian, Xu Wang, Zeru Tian, Erick Guerrero, Joshua Robinson, Pratima Basak, Tian Qin*, Daniel J. Siegwart*

J. Am. Chem. Soc ., 2024 , 146 , 34733–34742, DOI: 10.1021/jacs.4c13154

课题组介绍

Daniel Siegwart 是德克萨斯大学西南医学中心生物医学工程系、生物化学系和Simmons癌症中心教授。他同时担任W. Ray Wallace 分子肿瘤学研究杰出讲席教授。他的研究专注于开发先进的基于脂质和聚合物的系统，该系统可精确控制结构和响应性，适用于药物递送、成像、遗传疾病和癌症应用。他共同创立了 ReCode Therapeutics，以便将 UT Southwestern 开发的纳米颗粒转化为基因药物的递送。ReCode 是一家生物制药公司，为具有重大未满足医疗需求的肺部疾病开发精准药物，包括原发性纤毛运动障碍（PCD）和囊性纤维化（CF）。

【材料】基于三维结构的可电离BCP氨基脂质的设计及其在mRNA疫苗和基因编辑治疗中的应用

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