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脂质纳米颗粒 (LNPs)：mRNA新冠疫苗成败的关键技术

类型：技术文章时间：2021-09-02

mRNA疫苗需要特殊的修饰或包裹递送系统才能实现mRNA的胞内表达，递送技术是限制mRNA药物/疫苗发展的瓶颈。LNP是核酸药物研究应用最多的递送系统之一，目前上市的mRNA疫苗都是采用了LNP来递送药物。

新型冠状病毒（SARS-CoV-2）引起的新型冠状病毒肺炎疫情席卷全球。由于传播范围广、潜伏周期长和缺乏有效的治疗药物，确诊人数以及死亡人数仍在不断上涨，疫苗或是控制新冠病毒传播的希望。mRNA疫苗作为第三代疫苗，由于其良好的应用前景引发了广泛关注。 2020年，两种mRNA疫苗 BNT162b2和mRNA-1273获得了FDA和EMA的紧急使用授权，作为SARS-CoV-2疫苗来预防COVID-19^[1]。2021年8月23日，FDA正式批准了首款新冠疫苗-BNT162b2。

图1：传统疫苗，mRNA疫苗和DNA疫苗之间的差异^[2]

mRNA疫苗与mRNA分子

mRNA疫苗是将编码疾病特异性抗原的mRNA引入体内，利用宿主细胞的蛋白质合成机制产生抗原，分泌后被自身免疫系统识别产生免疫反应，从而达到预防疾病作用。mRNA（Messenger RNA），即信使RNA，是由DNA的一条链作为模板转录而来的，携带遗传信息的能指导蛋白质合成的一类单链核糖核酸。mRNA一般由5'端帽子结构、5'端不翻译区、翻译区（编码区）、3'端不翻译区和3'端聚腺苷酸尾巴构成。当mRNA作为治疗药物的时候，它的结构组分可以根据不同的目的进行相应的修饰：修饰5'端帽子影响mRNA的稳定性和表达量；修饰5'UTR影响mRNA的翻译效率；修饰3' UTR和多聚腺苷酸的尾巴影响mRNA的稳定性和表达量等^[3]。

图2：mRNA的分子结构示意图^[3]

LNPs结构

mRNA疫苗需要进入细胞质发挥作用，被特异性地递送至细胞是其发挥作用的关键，其中脂质纳米颗粒（lipid nanoparticles, LNP）递送系统最为成熟，本次新冠核酸疫苗也是选择了LNP作为递送载体。相对其他类型的核酸药物递送系统而言，LNP具有很多优势，比如核酸包封率高并且能够有效转染细胞，组织穿透性强，细胞毒性和免疫原性低，更有利于递送药物等优势，这些优势使LNP成为出色的核酸递送系统。LNP 由胆固醇（有助于稳定）、磷脂（支持脂质双层结构）、PEG衍生物（减少聚集和非特异性摄取）和可电离脂质（复合带负电mRNA、增强内体逃逸）组成^[1]。几种磷脂分子组成一个直径100纳米左右的球形（如图3所示），将mRNA分子包裹在内部，递送到细胞内。

图3：LNPs组成示意图^[4]

mRNA/LNP递送原理

首先是递送系统与细胞膜之间的相互作用，由于静电相互作用，具有阳离子性质的递送系统被吸附在细胞膜表面。通过细胞内吞作用，递送系统进入到细胞内形成内体，内体成熟后会和溶酶体相融合，溶酶体内的酸性环境和水解酶可以降解载体和载体内部的mRNA，所以，mRNA降解前的内体逃逸被认为是mRNA疗法成功的关键步骤^[2]。酸性条件可以使得脂质头部质子化，使其带正电，使得纳米粒子的形状发生改变，当LNP的双层结构遭到破坏，释放出mRNA，mRNA逃逸进入细胞质，可以和核糖体相结合进行翻译步骤，产生相应的蛋白，病毒蛋白刺激机体产生免疫反应，进而形成对新冠病毒的免疫记忆^[3]。

图4：mRNA/LNP的递送原理示意图^[3]

LNPs组成成分

LNP四大组成成分相对固定：胆固醇、磷脂、PEG衍生物、阳离子脂质。其中阳离子脂质是灵魂，兼具充分包裹mRNA分子和促进细胞吸收两重作用，是LNP逃离内体的关键成分。阳离子脂质与带负电的 mRNA 结合，可高效包载核酸药物，同时提供正电荷，与带负电荷的mRNA复合，有助于内涵体逃逸。常用的产品有DOTAP.Cl（CSN32391），DLin-MC3-DMA（CSN22237），DC-CHOL（CSN32328）等。而聚乙二醇化磷脂可提高粒子稳定性，减少粒子在体内与血浆蛋白的结合，延长体循环时间。例如DMG-PEG2000（CSN28748），DSPE-MPEG2000(CSN32723)。新冠疫苗中， Moderna 和 BioNTech基本成分一样，阳离子脂质（Moderna）与聚乙二醇脂质（BioNTech）结构极其相似，各组分比例近似，它们所用到的脂质体还包括DSPS（CSN27990），cholesterol(CSN10629)，ALC-0159，ALC-0315(CSN28747)， SM-102(CSN28056)等，如表1。

表1：mRNA新冠疫苗中LNP的组成^[5]

mRNA疫苗安全性高，并且具有合成任意一种蛋白的可能性，所以mRNA疫苗针对现在新型的病毒性传染病以及癌症都可能具有良好的治疗效果。脂质类材料作为体内可降解、生物相容性好的仿生材料，在递送药物方面有着巨大潜力，有望成为 mRNA 疫苗的优选递送载体。展望未来，期望新型脂质载体的研发可以提高药物/疫苗的安全性及疗效，从而更好地保障人类健康^[1]。

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参考文献:

1.尚红涛, 冯旭晨, 许蓬娟,等. 基于脂质载体的mRNA疫苗递送系统研究进展[J]. 药物评价研究, 44(4):7.

2. WHITE PAPER, mRNAVaccines: Disruptive Innovation in Vaccination. From Moderna May 2017.

3. I Gómez-Aguado, JRodríguez-Castejón, Vicente-Pascual M ,et al. Nanomedicines to Deliver mRNA: State of the Art and FuturePerspectives[J]. Nanomaterials, 2020, 10(2).

4.Aldosari B N , Alfagih I M , Almurshedi A S . Lipid Nanoparticles as Delivery Systems for RNA-BasedVaccines[J]. Pharmaceutics, 2021, 13(2):206.

5. DespoChatzikleanthous, et al. Lipid-Based Nanoparticles for Delivery of VaccineAdjuvants and Antigens: Toward Multicomponent Vaccines[J].Mol. Pharmaceutics2021, 18, 8, 2867–2888.