概要：脂質納米顆粒（LNPs）是一種具有均勻脂質核的脂囊泡，被廣泛應用于小分子藥物和核酸輸送，最近因為在COVID-19 mRNA疫苗遞送平臺取得的顯著成功引起了廣泛的關注。然而，mRNA誘導的短暫蛋白表達的應用并不僅僅用于傳染性疾病的疫苗領域，也為癌癥疫苗、蛋白質替代療法和罕見遺傳疾病的基因編輯組件提供了新的途徑。然而，未包覆的mRNA本身并不穩定，很容易由于核酸酶和自水解快速降解。經LNPs包覆的mRNA可以免受細胞外核糖核酸酶的影響，并有助于細胞內mRNA的遞送。在這篇文章中，我們將討論RNA遞送所使用LNPs的核心特征。本文將聚焦于mRNA遞送用LNPs；然而，也相應地列舉了siRNA-LNP遞送的例子，以突出核酸結構造成的共性和差異。首先，將介紹LNPs的概念，利用核酸作為治療藥物的優點和缺點，以及LNPs分子構成的一般推理；同時簡要介紹了臨床上基于LNPs的核酸治療的最新成功經驗。其次，闡述了LNP自組裝的理論和方法。所有制備方法的共同理念是誘導核酸和帶電脂質之間的靜電相互作用，并通過疏水作用促進納米顆粒的生長。第三，根據基本性質和用途對LNP進行成分分解，包括公認的分子設計標準、商業來源，對細胞內運輸的影響，以及對LNPs性能的貢獻。LNPs的關鍵成分之一是啟動與內吞體膜的靜電結合、并促進胞質釋放的可電離脂質；然而，其他脂質成分的作用也不應忽視，因為它們與LNPs的穩定性、間隙和分布密切相關。第四，從整體上回顧了對RNA遞送有重要影響的LNP結構屬性，包括LNP的尺寸、電荷、內部結構、脂質封裝、脂膜水合作用、穩定性和對生物大分子的親和性；還將討論這些屬性的檢測技術以及調控方法。最后，展望了RNA療法的未來，并提出了LNP配方和優化領域中存在的一些問題。
1.引言
近年來，脂質納米顆粒（LNPs）顯示其在RNA疫苗和療法中作為遞送系統的的實用性。無包覆的RNA是一種帶負電荷的親水大分子，由于細胞膜的靜電排斥，很難進入細胞，并被無所不在的核糖核酸酶（RNase）迅速降解。因此，它需要一個保護層以增加進入細胞內部機會。由于細胞膜主要由脂質構成，因此，使用脂質體包覆RNA可以使RNA更容易通過細胞膜并將其釋放到細胞質中。為了實現這個目的，脂質體首先需要一個帶正電的脂粒，可以附著在帶負電的RNA上。然而，由永久性陽離子脂粒組成的脂質體會對帶負電荷的細胞膜產生靜電破壞從而引起細胞毒性。因此，脂質結構被進一步改進，通過酸性內溶酶體途徑獲得正電荷；LNP成分也擴展到了結構脂類（模擬細胞膜并屏蔽正電荷）和聚（乙二醇）-錨定脂類（防止LNPs聚集以及與生物環境的副反應）。從FDA批準了首個siRNA-LNP藥物（Onpattro）和mRNA-LNP新冠疫苗（Comirnaty）以及Moderna新冠疫苗的緊急使用授權（EUA）等這些該領域的主要監管里程碑事件可以明顯看出，基于LNP的核酸遞送方法是安全的，適用于各種療法。然而，目前還沒有適合所有疾病的萬能方案，因此LNP的優化工作依舊任重道遠。本文將討論用于選擇RNA-LNP遞送脂類所需的主要科學和制造概念。
2.制備
LNP的制備依賴于自組裝能力，即脂質成分在分子間相互作用的基礎上自發組裝成納米實體。LNP的形成從帶負電荷的核酸和帶正電荷的脂類之間的靜電結合開始。然后，LNPs通過疏水性和脂質組分之間相互作用的范德華力增長。由于脂質的多樣性、核酸的獨特性及兩者混合過程的瞬時性，對自組裝的早期階段及其對LNP最終性質的相關影響的表征仍然極具挑戰。此外，LNP制造協議至少在兩個方面影響產品的自組裝: LNPs的均勻性和核酸負載效率。
LNP有多種制備方法，如脂膜泡擠出法、脂膜再水化、納米沉淀法和微流體混合法。然而，通常的制備方法是將水和脂質組分快速混合。微流控技術以其良好的重復性而成為當前臨床前研究的首選方法。新型微流控設備制造取得的進展使這種方法更容易實現，采用平行微流體通道或改進的傳統方法（如移液管混合和t型混合器）等其他途徑也可以實現LNPs的高通量制備。一般來講，微流體混合有利于將親水性部分封裝到疏水的脂質核心中，但這一過程并不能嚴格需要核酸的參與。Kulkarni等報道，只要脂質核心形成，LNPs可以在T型混合器內與siRNA完成組裝。總的來說，混合方式的特性可能會影響LNPs的組裝效率和內部結構，而自組裝過程的動力學因數則會決定最終的納米結構。
3.配方
3.1陽離子和可電離脂質
陽離子脂質（CLs）和可電離脂質（ILs）通過靜電相互作用啟動自組裝的第一步。含有CLs的脂質體仍被廣泛用于核酸遞送。然而，由于毒性問題和缺乏體內療效，它們已被對pH敏感的ILs所取代。當被配制成LNPs時，ILs被設計成在生理pH下顯示電中性，但在酸性核內體內則表現為帶正電荷。這種pH適應的電離性使其功效提升同時毒性降低，從而更適合于核酸遞送。這些脂類通常占配方中總脂類的30-50%。許多研究致力于微調ILs的屬性，以進一步提高效率，特別是在難以觸及的組織。CLs和ILs的整體結構可以分為三個部分：（1）頭基、（2）連接體及（3）尾部（圖1）。
圖1 CLs和ILs結構及組件（頭基、連接體及尾部）示意圖
頭基 ILs的頭基通常帶正電荷。頭基的大小和電荷密度對核酸包覆、LNP穩定、與細胞膜相互作用以及促進核內體中的釋放有重要作用。ILs也可能有多個可電離的頭基，盡管通常情況下只有一個。典型的基包括胺（從一級到四級）、胍和雜環群 （見圖1）。臨床應用的ILs（DLin-MC3-DMA、SM-102和ALC-0315；見圖2）包含具有pH適應電離性的叔胺頭基。ALC-0315和SM-102頭基中也含有末端羥基，可以減少頭基的水合作用，并提高其與核酸的氫鍵作用，可能會提高轉染能力。
圖2 特定ILs結構及cpKa和cLogP值
連接體 連接體通常連接頭基與尾部，也可能包含在尾部內（SM-102和ALC-0315；見圖2）。連接體會影響LNPs的穩定性、生物降解性、細胞毒性和轉染效率。在CLs和ILs設計中使用的常用連接器如圖1所示。ILs可能包含一個或多個連接體；然而，為了便于合成，大多數ILs只含有一種類型的連接體。連接體可分為不可生物降解型（如醚類和氨基甲酸酯類）和可生物降解型（如酯類、酰胺類和硫醇類）。生物可降解連接體由于可在體內被快速清除，通常被作為首選，以確保多次給藥并減少潛在的副作用。值得注意的是，DLin-MC3-DMA，ALC-0315和SM-102都含有酯類連接體。對于SM-102，酯基團周圍的修飾被證實會影響LNPs的清除、穩定性和轉染效率。
尾部 疏水性的尾部會影響pKa、親脂性、流動性和融合性，從而影響納米顆粒的形成和效力。通常，一個IL包含1到4個由8到20個碳原子組成的飽和或不飽和的疏水性尾部。不飽和程度已被證明通過調節膜不穩定相關方面影響核酸的遞送。DLin-MC3-DMA有兩條亞油基尾部，而ALC-0315和SM-102包含兩個假定為錐形的分叉飽和尾部，有助于對核內體膜的去穩定作用和核酸在細胞溶質的釋放。
ILs可以被看作是多組分分子，其中的每個部分都需要被精確設計，以便安全、高效地包覆和遞送核酸。從整體上理解ILs的特性也有助于設計下一代ILs。這些性質之一是計算出的ILs的pKa（cpKa），可以很容易地在硅中確定。常見ILs的cpKa值在9到10.5之間（圖2）。最近的一項研究表明，cpKa極度接近IL的實際pKa. ILs的cpKa似乎影響相應LNP配方的整體pKa，這樣當IL 的cpKa大約是8.5−10.5時，LNP的pKa值約為6−7。IL的cpKa和LNP的pKa之間的差值似乎是固定的，約等于2 - 4個單位。因此，cpKa可以作為新ILs產品設計的指導工具。ILs的另外兩個不太被關注的性質是cLogP和cLogD值，它們分別代表分子在非電離態和電離態下的親油性。在最近的一項研究中，Rajappan等考察了pKa、cpKa和cLogD對LNPs遞送siRNA的影響，發現cLogD在10 - 14范圍內的脂質效果最好。因為一些常見的ILs的cLogP值在15−20范圍內 （圖2），在設計下一代ILs時也應考慮其親油性性。由于電離度（cpKa）和親油性（cLogP） IL可以影響從最初的與核酸形成復雜結構到最終納米粒子形成以及核酸遞送的整個流程，在合成IL前同時考慮這兩個參數可能會極大的推動高效IL的發現。不過，需要更多的研究來印證這一觀點。
除了傳統的CLs和ILs外，還有一些兩性離子脂類的例子。在最近的一項研究中，Liu等人合成了一個名為iPhos的超過500種兩性離子脂質的庫。這些iPhos由一個胺基、短疏水性尾部和一個磷酸鹽連接體組成。研究認為，帶負電荷的磷酸基促進了膜融合，并導致核內體釋放。最優的9A1P9的各種配方可以優先將目標核酸輸送到肝臟和肺部。
綜上所述，ILs各部分的性質影響整體配方和生物學特性。過去50年間，為設計出理想的IL已經有了許多系統的研究。其中一些ILs已經被FDA批準用于基因制劑的遞送。然而，設計能夠在非肝靶上高效無毒地輸送不同類型的基因制劑的ILs仍需大量研究。對ILs合成有更多興趣的讀者可以參考一篇優秀的相關綜述。
3.2固醇類
圖3 LNP配方中使用的固醇（綠色）、磷脂（藍色）和PEG脂質 （紅色）舉例
3.3磷脂類
磷脂有助于核酸的封裝和LNPs穩定性的提高。與其他脂類成分相比，它們的研究相對較少，通常只占配方中總脂類的10 - 20%。磷脂因為可以自發地組織成脂質雙分子層，并且具有較高的相變溫度從而確保LNPs的膜穩定性而被用作結構脂質。磷脂位于LNPs的外圍，就像細胞膜一樣。這些脂類通常是半合成的，例如，磷脂酰膽堿通常來自蛋黃和大豆等天然來源，可以通過化學修飾使其包含脂肪酸尾部。二硬脂酰磷脂酰膽堿 （DSPC）（見圖3）是一種臨床批準的LNPs結構脂質，用于如siRNA治療（Onpattro）和針對SARS-CoV-2的mRNA疫苗。DSPC在結構上由磷脂酰膽堿頭基和兩個飽和18碳尾組成，形成一個緊密堆積的脂質雙分子層。在LNPs中，它主要位于納米顆粒表面，同時在納米顆粒核中少量存在。二油酰磷脂酰乙醇胺（DOPE）是另一種經常用于LNPs臨床前研究的磷脂。由于尾部不飽和，DOPE不僅形成流動性更好的脂質層，而且具有形成六邊形II （HII）相結構的內在能力。HII相結構被認為能促進脂質膜與核內體膜的膜融合，進而使核酸制劑在胞質內釋放。多項研究表明，與DSPC相比，DOPE可以提高率磷脂基LNPs中RNA的轉染效率。近期，Zhang等人報道稱，DOPE可導致C12-200 LNPs在肝臟內的聚集，而DSPC會導致靜脈給藥時脾積聚，證明了結構脂質對LNP生物分布的影響。我們還發現，用天然糖脂替代MC3基LNPs中的DSPC會影響mRNA轉染，來自植物的膜脂--高絲氨酸（DGTS）（見圖3），可以根據給藥途徑表現出不同的轉染效率。總之，這些研究突出了結構脂質在LNPs介導的RNA遞送中的重要性。
3.4嵌PEG脂質
嵌PEG脂質（PEG-lipids，見圖3）是控制LNPs半衰期和細胞攝入的一個重要組成部分。在LNP組裝過程中，PEG鏈由于其親水性和大體積而位于納米顆粒的外殼中。與其他納米載體一樣，PEG為LNPs提供了外部聚合物層，以阻礙血清蛋白和單核吞噬細胞系統的吸附，延長體內循環時間。PEG還可以防止納米顆粒在儲存過程以及血液中的聚集。此外，PEG脂質的含量可能決定顆粒的大小。PEG脂質的另一個潛在用途是功能化LNP的表面，使LNPs與配體或生物大分子結合成為可能。例如，Singh等使用DSPE-PEG-胺通過NHS/EDC化學共軛結合透明質酸來靶向治療腫瘤，Parhiz等使用DSPE-PEG-馬來酰亞胺通過SATA-馬來酰亞胺化學共軛結合抗體。雖然PEG有助于LNP的穩定性和生物偶聯，但其解吸對細胞轉染也至關重要。PEG從LNPs中的脫落可使血清蛋白（如載脂蛋白和白蛋白）產生調理作用，這是LNPs發生受體介導內吞作用的關鍵效應物。Akinc等人證明ApoE與LNPs結合后，導致低密度脂蛋白受體（LDLR）介導的肝細胞內化。由于PEG脂質抑制ApoE與LNPs的結合，過量的PEG 脂質會對LNPs的細胞攝入和轉染產生不利影響。含有較少PEG脂質的LNPs由于更容易與ApoE結合表現出更高的酸遞送效率。PEG脂類脂質錨的長度也是決定解吸速率的重要因素。Mui等報道了PEG從LNP的脫落與PEG-脂質錨定長度成反比，這是因為PEG-脂質與LNP膜之間的疏水相互作用隨著PEG-脂質錨定長度的增加而增加。Suzuki等提出，PEG脫落的速度也可能影響抗-PEG抗體的產生，并反復給藥會引起并發癥。靜脈給藥LNP配方中PEG脂質的含量很少超過2%；然而，密集的聚乙二醇層可能有利于達到肝外靶點。Lee等的研究結果顯示，相較2.5%的PEG脂質含量，5%的PEG脂質含量時LNPs在腫瘤中的積累更量高于，Lokugamage等的研究表明，PEG脂質對霧化LNPs的遞送至關重要。因此，LNPs中PEG脂質的含量和種類可能需要根據臨床需求謹慎調整。
4.性質
LNPs的平均尺寸和尺寸分布是各種應用中LNP質量和適用性的重要初始決定因素，這些性質通常用動態光散射（DLS）來研究。一般來說，LNP的最佳尺寸為20 - 200nm，因為這個尺寸使其在流體（如血液和淋巴）中足夠穩定，同時能夠穿過間隙。LNP的尺寸通常通過改變PEG脂質的量或混合參數（如流速和體積比）來調節。LNPs的尺寸可能會影響其內吞、生物分布、降解和清除，不同的應用可能需要不同的粒徑。例如，45 nm的siRNA LNPs在皮下給藥時最有效，而80 nm 的siRNA LNPs在小鼠靜脈給藥時最有效。然而，對嚙齒動物和非人靈長類動物中各種粒徑mRNA-LNP的對比表明，非人靈長類動物肌肉注射時對LNPs粒徑不太敏感。
LNP依靠表面電荷與細胞膜和生物環境進行相互作用。由于細胞膜帶負電荷，表面帶負電荷的LNPs會被細胞膜排斥從而不被細胞吸收。另一方面，帶正電荷LNPs可能會直接破壞細胞膜，引起細胞毒性。這就凸顯了可電離脂質在LNP設計中的重要性：最初，含有可電離脂質的LNP是中性的，可以避免任何不必要的靜電相互作用，但在酸性內體pH環境下會帶正電荷。LNPs的表面電荷通常用zeta電位測量來評估，該技術通常用于評估膠體聚集，盡管沒有嚴格的分類，但如果zeta電位落在-20和+20 mV之間，則認為表面電荷較弱。調整LNPs總表面電荷的一種常見方法是調整N/P比或者說電離脂質（N代表陽離子胺）與核酸（P代表陰離子磷酸鹽）的比值。Carrasco等認為，增加含有可電離脂質KC2的LNPs中的N/P比可以增加表面電荷和封裝效率。有趣的是，在LNPs中加入永久帶電的脂質時可能在不增加表面電荷的情況下改變優先攝取的器官。Cheng等基于脂質電荷在小鼠中實現了選擇性器官靶向（SORT）：向LNP配方中添加帶正電荷的脂質可實現肺組織的優先轉染，而帶負電荷的脂質則將轉染導向脾臟。
脂質封包可能會影響從膜的水化和變形能力到細胞攝取和核酸釋放等許多參數。最近的一篇綜述總結了形成脂質囊泡所需的脂質體的基礎知識。簡單地說，每種脂質都可以用一個封包參數來描述，該參數取決于脂質極性“頭”和非極性“尾”所占的體積。結構平衡的脂質形成柱狀結構和層狀相，而“不平衡”結構則形成六方、立方和膠束相。倒置的六方相（HII）表現出最顯著的脂膜融合促進作用。到目前為止，非層狀相的可控制備在RNA-LNP遞送領域仍然是相對少見的，納米立方液晶是最突出的例子。然而，LNPs在暴露于環境誘因時可能發生結構變化。Heyes等利用核磁共振波譜（P NMR）研究了含有一系列具有不同脂尾的陽離子脂質的脂質顆粒的相變行為，發現層狀到倒置六方相轉變溫度（TBH）較低的脂質具有更好的融合促進能力，這一點在基因沉默效率上得到了證明。同樣，其中一個膜不穩定理論提出，當可電離脂質暴露于晚期核內體的酸性pH時，可電離脂質與核內體膜內磷脂之間的靜電相互作用會導致膜破裂。Liu等最近的一項工作基于這一概念，報道了利用核磁共振波譜得到的一種新型可電離脂質暴露于核內體模擬物時倒置六方相形成的證據。雖然pH誘導關聯是脂質材料最常見的機制，但在我們最近的綜述中討論了其他導致核內體膜不穩定的路徑。
由于脂質相和整體極性的不同，脂膜可能會捕獲水從而改變膜的流動性或變形性，這可能會影響脂膜融合。膜水合作用也可能影響對pH的潛在響應，而pH通常作為啟動核酸釋放的一個重要環境誘因。LNP在其生命周期中所涉及的pH波動如圖4所示。當LNPs進入細胞內空間時，它們被束縛在核內體中，而核內體在成熟為溶酶體時會逐漸酸化。因此，脂質膜內較高的含水量可能會影響酸化動力學，并有加速膜的失穩。Koitabashi等通過Laurdan實驗研究了siRNA-LNPs中pH值對脂膜穩定性的影響，發現膜水合作用與基因沉默效率呈正相關；然而，該研究并未關注酸化動力學。關于膜水合有一個有意思的現象，核磁共振波譜結果表明，siRNA-LNPs比相同配方的mRNA-LNPs的含水量更少，這可能是因為親水RNA鏈的長度更長。Carrasco等進一步證明了這些觀點，他們發現低N/P比的KC2 LNPs單個納米顆粒中包含更多的mRNA和脂質，并且有較高的介電常數，認為低N/P比的LNPs比高N/P比的LNPs更易水合。更高的RNA載量也會使轉染得到改善。因此，mRNA-LNPs可能對環境變化更敏感，盡管pH敏感性的變化可能與生物過程的時間尺度無關。暴露在生物環境中的重組進一步使LNP殼水化的問題變得復雜。
圖4 LNP生命周期中涉及的pH變化
LNPs固有的水環境也對其長期穩定構成威脅。純核酸在環境條件下可通過外源RNase降解或自水解迅速惡化。雖然LNPs可以保護核酸免受酶降解，但它們容易因為熱力學因素（如最小化相分離）聚集，可能導致納米顆粒融合時核酸的丟失，最終影響轉染效率。低溫保存和凍干可以保護RNA，但是冰結晶會損傷LNPs，盡管加入蔗糖等低溫保護劑似乎可以緩解這個問題。有趣的是，LNPs可能會根據儲存條件改變優先攝取其的器官，這可能是它們重組的結果。從實踐的角度來看，最近開發的針對COVID-19的mRNA-LNP疫苗為RNA療法創建了物流基礎設施，這可能會消除關于LNP穩定性、存儲和運輸的許多擔憂。這些疫苗擁有在冷凍溫度（-20°C）下長達6個月的以及室溫下長達30天的長期穩定性，極大地推動了這些突破性治療的普及。值得注意的是，輝瑞/BioNTech和Moderna疫苗有著不同的存儲要求，這表明LNP配方的變化可能會顯著改變其核酸親和力和LNP穩定性。由于目前還沒有建立針對這些非晶材料的加速穩定性測試的方法，這意味著，LNP穩定性只能在離散時間點進行經驗評估，差示掃描量熱法（DSC）等方法可能對LNP退化提供有價值的參考。最后，預測基于LNP的RNA療法的下游特性需要我們對LNP的自組裝過程有更深的理解。
圖5 LNP結構待解決問題
5.結論和展望
LNPs是一種高度可定制的核酸載體，在mRNA疫苗中顯示出巨大的潛力。我們也不應忽視它們在治療罕見疾病和癌癥方面的可能價值。mRNA治療可以幫助產生治療性蛋白來恢復受損組織或器官的功能。全球開展了大量的科學研究來設計和細化LNPs的單個成分，以便高效和安全地遞送所關注的核酸。然而，LNP科學方興未艾，還有許多懸而未決的問題，圖5中列出了其中的一些。毫無疑問，公眾對mRNA疫苗的持續高漲的興趣將激勵這一領域的研究工作，我們謹慎樂觀地認為，我們正在見證納米醫學的新時代。
原文來源：Chemistry of Lipid Nanoparticles for RNA Delivery.Acc Chem Res. 2022 Jan 4;55(1):2-12.
