Nature Biotech：MIT学者首次将mRNA高效递送至肺部

　　

麻省理工学院和马萨诸塞大学医学院的工程师近日设计出一种新型的纳米颗粒，它可以被吸入肺部，从而递送编码特定蛋白质的mRNA。这项研究成果于3月30日发表在《Nature Biotechnology》杂志上，有望为囊性纤维化及其他肺部疾病的治疗提供一种吸入式疗法。

共同通讯作者、麻省理工学院的化学工程系教授Daniel Anderson指出：“我们首次展示了将RNA高效递送至小鼠肺部。我们希望用它来治疗或修复一系列遗传疾病，包括囊性纤维化。”

以肺部为目标

在治疗因缺陷基因引起的各种疾病上，mRNA拥有巨大的潜力。到目前为止，人们面临的一个主要障碍是难以将其递送到正确的身体部位。注射的纳米颗粒通常会积累在肝脏中，因此目前的几项临床试验正在评估用mRNA来治疗肝脏疾病的潜力。

基于RNA的COVID-19疫苗被直接注射到肌肉组织中，也被证明是有效的。在许多情况下，mRNA被包裹在脂质纳米颗粒中，这是一种脂肪球，可避免mRNA被过早分解，并帮助它进入目标细胞。

几年前，Anderson的实验室就开始设计能够更好地转染肺部上皮细胞的颗粒。2019年，他们开发出纳米颗粒，可以将编码生物发光蛋白的mRNA递送到肺部细胞。这些颗粒是由聚合物而不是脂质组成的，这样更容易被雾化并吸入肺部。不过还需要对这些颗粒进行深入研究，以便提高它们的效力。

在这项新研究中，研究人员着手开发可以靶向肺部的脂质纳米颗粒。这些颗粒由两部分的分子组成：带正电荷的头基和长长的脂质尾巴。头基的正电荷有助于纳米颗粒与带负电荷的mRNA相互作用，也有助于mRNA在进入细胞后逃脱会吞噬颗粒的细胞结构。

与此同时，脂质尾部结构有助于颗粒通过细胞膜。研究人员提出了10种不同的脂质尾部化学结构，以及72种不同的头基。通过在小鼠体内筛选这些结构的不同组合，他们能够确定那些最有可能到达肺部的组合。

高效直达肺部

在进一步分析中，研究人员使用这些颗粒来递送编码CRISPR/Cas9组分的mRNA，这些组分可切除小鼠肺部细胞编码的终止信号。当终止信号被去除时，一种荧光蛋白的基因就会开启。通过测定荧光信号，他们可以确定多大比例的细胞成功表达了mRNA。

他们在分析后发现，在注射一剂mRNA后，大约40%的肺上皮细胞被转染。两剂使得转染水平超过50%，三剂则达到60%。治疗肺部疾病时最重要的靶点是两种上皮细胞，棒状细胞和纤毛细胞，他们发现每种细胞的转染率约为15%。

共同第一作者、麻省理工学院的前博士后研究员Bowen Li表示：“这意味着我们能够编辑的细胞确实是肺部疾病的目标细胞。这种脂质颗粒让我们能够比其他递送系统更有效地将mRNA递送到肺部。”

这些新型颗粒还能迅速分解，几天内就能从肺部清除，降低炎症的风险。如果需要重复给药，这种颗粒也可以多次注射。这就使得它们比另一种递送mRNA的方法更有优势，后者采用一种改良版的腺病毒。这些病毒在递送RNA方面很有效，但不能重复注射，因为它们会诱发宿主的免疫反应。

在这项研究中，为了递送颗粒，研究人员使用了一种称为气管滴注给药的方法。他们目前正在努力使纳米颗粒更加稳定，这样就可以被雾化并使用雾化器吸入。

研究人员还计划在囊性纤维化小鼠模型中测试这些纳米颗粒，以便递送mRNA来纠正导致囊性纤维化的基因突变。他们还希望开发其他肺部疾病（如特发性肺纤维化）的治疗方法以及可以直接递送到肺部的mRNA疫苗。

原文检索

Li, B., Manan, R.S., Liang, SQ. et al. Combinatorial design of nanoparticles for pulmonary mRNA delivery and genome editing. Nat Biotechnol (2023). https://doi.org/10.1038/s41587-023-01679-x