脂質納米顆粒（LNP）是mRNA藥物常用的載體。目前，BioNTech/輝瑞和 Moderna的mRNA疫苗都采用LNP作為運輸載體，這是這些疫苗成功的關鍵要素之一。

LNP是一種多組分系統，通常由可電離脂質或陽離子類脂質化合物、輔助脂質、膽固醇、保護劑聚乙二醇-脂質共軛物組成。

LNP結構組成：每種LNP都由4種輔料構成，包括可電離脂質（與mRNA結合，將其電荷由負電荷轉化為電中性，同時限制顆粒毒性）；另3種脂質可以維持粒子的結構并提高穩定性（來源：Science）

LNP可將mRNA包裹在結構內部空腔中，這種結構可以提高mRNA體內穩定性，有利于mRNA發揮作用。然而，制劑中的LNP載體是藥物注射后疼痛與炎癥等不良反應的主要誘因。此外，mRNA發揮作用必須經過其翻譯出對應的蛋白質實現，需要mRNA從顆粒中逃逸出來，然而，這對于細胞內的LNP顆粒非常困難。最后，當溫度升高時，mRNA具有從LNP中解離的傾向，因此這種制劑必須低溫保存，這也限制了這種劑型在全球范圍內的使用。總結來說，盡管這種遞送技術的作用有目共睹，但還有很大的優化空間。

溫哥華不列顛哥倫比亞大學（UBC）的生物化學家Pieter Cullis開創了LNP藥物遞送系統，他表示：“這種系統明顯很有前景，但是我們還需要提高LNP的性能，這是肯定的。” 2020年，Cullis創立了NanoVation Therapeutics，開發了利用LNP將核酸安全有效地輸送到各種組織的下一代平臺技術。

來源：NanoVation Therapeutics官網

目前，大型制藥巨頭和生物技術公司正在開發新一代LNP系統。新一代LNP技術遞送能力更強、副作用更少，可以幫助mRNA獲得更高的穩定性并提高mRNA藥物的組織靶向能力。改進后的這種納米顆粒可以幫助新冠和其他疾病的mRNA疫苗實現更佳的疾病預防效果，同時也可以助力mRNA藥物發揮治療疾病的潛能。Philip Santangelo是佐治亞理工學院的生物醫學工程師，目前與多家mRNA公司合作過。他表示：“遞送方式的創新一定可以改變游戲規則。”

Cullis在大概20年前開發了首個LNP系統，將基因沉默藥物遞送至細胞內。后來，他和同事設計了LNP系統中的4種脂質成分，幫助mRNA進入細胞治療疾病。這種技術目前在疫苗中進一步擴大使用。RNA疫苗公司VaxEquity的聯合創始人，同時也是UBC生物工程師Anna Blakney表示：“這里面仍需要進行大量的優化開發工作。”當談到如何理解細胞與納米顆粒相互作用時，她補充道：“這還是一個很大的問號。”

VaxEquity 是一家英國生物技術公司，開發下一代自擴增 RNA 和 mRNA疫苗（來源：VaxEquity官網）

3月24日，來自基因泰克的科學家研究了納米顆粒如何激活一條特定的炎癥通路，為這一問題找到了部分線索。白介素1（interleukin-1，IL-1）對提高身體免疫力至關重要，但是這種炎癥因子也可能誘發某些副作用。SM-102是一種可電離脂質，與mRNA結合并將mRNA封裝于LNP內部。實驗中，SM-102顯著激活了這種通路。Moderna的mRNA疫苗也是基于SM-102制備的，這可能是這種疫苗在發揮較強的防護作用的同時導致部分接種者感到惡心的原因。

人體免疫細胞中，RNA疫苗誘導產生IL-1細胞因子（取決于RNA和脂質制劑，但主要是IL-1β）。IL-1將觸發包括IL-6在內的廣譜促炎因子釋放（來源：Nature Immunology）

基因泰克研究團隊沒有評估BioNTech /輝瑞mRNA疫苗中使用的類似的脂質。而來自賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的Mohamad-Gabriel Alameh測試了一種相關的脂質分子。這種脂質分子觸發了一系列炎癥分子，這其中既有促進療效的，也有導致不良反應的。目前，研究人員期望可以設計出激活有利的免疫反應，而不會過度刺激有害免疫通路的可電離脂質。Alameh表示：“這并不簡單，但應該是可能的。”

AexeRNA Therapeutics利用專有的LNP遞送平臺技術AexLNP開發新型mRNA療法和疫苗（來源：AexeRNA官網）

Michael Buschmann與Alameh等人共同創立了AeceRNA Therapeutics。Buschmann曾于2021年帶領一個研究團隊，證明了LNP的電荷對疫苗非常重要。小鼠實驗中，負電荷不利于LNP停留在肌肉和淋巴結中引發預期的免疫反應；相反，負電荷的LNP傾向于在體內廣泛分布，提高小鼠發燒、寒顫和其他不良反應的風險。

LNP遞送效率的主要影響因素之一是可電離脂質的pKa。負電性LNP肌內給藥后會在肝臟中出現更多的脫靶蓄積，這可以通過離子型脂質和LNP的適當優化改善（來源：Communications Biology）

為了減少LNP的電荷負載量，研究人員替換了具有不同化學性質的可電離脂質。根據去年在預印本平臺上發表的論文，這種新型LNP制備的新冠mRNA疫苗在小鼠體內產生了相較于傳統遞送系統更多的保護性抗體，而且副作用更少。

一種多質子可電離脂質C24肌內給藥可減少肝臟蓄積，提高編碼蛋白表達水平，增強病毒防御能力（來源：Research Square）

特拉維夫大學的生物化學家、疫苗遞送領域初創公司NeoVac的聯合創始人Dan Peer還開發了具有非典型結構的新型可電離脂質庫。在一項未公開發表的實驗中，這些新型可電離脂質可以幫助mRNA疫苗產生較少的副作用，并且在室溫條件下的穩定性更強。

目前，也有研究團隊致力于改善LNP的細胞攝取與內涵體逃逸。內涵體幫助LNP進入細胞，然而，大量的LNP被束縛在內涵體內，導致mRNA還沒有被釋放就被內涵體破壞了。俄勒岡健康與科學大學的生物工程師Gaurav Sahay評論道：“有大量的RNA沒有發揮作用。”

和膽固醇一樣，可電離脂質的形狀也可以影響LNP從內涵體中逃逸的能力。Sahay及其同事于2020年報道了不同類型的膽固醇可以改善LNP從溶酶體逃逸的速率。Sahay成立了一家名為Enterx Biosciences的公司，致力于將這些發現商業化。

將C-24 烷基植物甾醇引入LNP（eLNP）可提高基因轉染能力。烷基鏈的長度、甾醇環的柔性與羥基極性是轉染能力的重要影響因素。相對于傳統的LNP的球形結構，eLNP結構呈多面體。eLNP細胞攝取和保留增強，從內涵體中穩定釋放的能力更大。（來源：Nature Communications）

賽諾菲已經開始對特制的LNP進行頭對頭的臨床試驗。例如，在一項2021年啟動的一項試驗中，該公司評估了兩種遞送流感mRNA疫苗的LNP制劑。根據初步數據，賽諾菲mRNA卓越中心研究和生物標志物負責人Frank DeRosa在2021年12月的一次投資者活動中宣布，其中一種脂質納米粒預防流感性能顯著，但在高劑量下也導致了更多的不良反應。

Arcturus Therapeutics是一家專注于RNA療法的公司，目前產品管線中有2個新冠疫苗分別進入臨床III期與II期，一項肝臟mRNA藥物進入臨床II期（來源：Arcturus官網）

而包括BioNTech和Arcturus Therapeutics在內的其他公司已經開始試圖從LNP中除去PEG。PEG在LNP可以起到穩定結構的作用，但近來有研究表明PEG與疫苗某些不良反應有關。與此同時，其他更多的公司則致力于優化遞送mRNA的脂質，拓寬mRNA應用場景，實現從預防到治療的跨越。輸注LNP后，這種納米顆粒往往傾向于分布到肝臟中。為了實現治療疾病，需要提高mRNA編碼糾正疾病的蛋白質精準遞送到目標細胞或組織中的能力。

NanoVation Therapeutics的聯合創始人兼首席執行官Dominik Witzigmann表示：“LNP的遞送將成為擴展mRNA應用領域的關鍵。”

聚肌氨酸（pSar）是內源性物質肌氨酸的聚合物。利用pSar代替PEG實現減少LNP的聚集和體內的網狀內皮系統清除作用，可提高RNA轉染效率，減少促炎因子釋放，降低補體活化（來源：ACS Applied NanoMaterials）

隨著mRNA新冠疫苗為BioNTech/輝瑞和 Moderna帶來的豐厚利潤，產業界對于LNP技術的關注度日益提高，與之相關的利益沖突也越來越多。Alnylam Pharmaceuticals開發的第一款以LNP遞送的一種基因沉默藥物于2018年獲批，用于治療一種罕見的神經退行性疾病。Alnylam認為在其基礎專利中覆蓋了BioNTech/輝瑞和Moderna新冠疫苗中的脂質成分權利要求。而Cullis創立的另一家加拿大公司Arbutus BioPharma也在向Moderna索取賠償，因為Arbutus聲稱Moderna侵犯了該公司一項由一定比例脂質構成LNP系統的專利。

不過，伊利諾伊大學法學院生物技術專利律師Jaco Sherkow認為，這些產權糾紛不會對LNP創新造成負面干擾，“這個領域有太多錢可以燒了。”

專家點評

星銳醫藥 科學創始人 程強博士

程強博士，星銳醫藥科學創始人、北京大學研究員、國家級青年人才。長期從事新型 RNA 脂質納米藥物研發，以脂質納米顆粒（LNP）為技術支撐，通過精準遞送 RNA（mRNA、siRNA、Cas-sgRNA等）到病灶部位，以實現 RNA 在遺傳性疾病、代謝類疾病、癌癥等多種疾病中的治療應用。以第一/通訊作者（含共同）在Nature Nanotechnology、Nature Materials、PNAS、Nature Communications、Advanced Materials 等期刊相繼發表學術論文40余篇，被引2400余次，申請或已授權國際/國內專利10余項，多項研究成果已幫助中、美多家生物技術公司獲得數億美元融資。

進入LNP領域的機緣

2011年到2016年，我在北京大學分子醫學研究所攻讀博士學位，導師是梁子才教授。梁子才教授是（蘇州）瑞博生物公司的創始人、董事長，也是國內小核酸（siRNA）制藥的領軍人物。大家現在已非常熟悉，當前siRNA的肝臟靶向遞送是以GalNAc綴合為主，但在很多年前，LNPs則是遞送siRNA的主流，并且第一款問世的Onpattro藥物正是使用的MC3 LNPs載體。我在讀博期間可以接觸到非常多最前沿的siRNA藥物研發項目，也是在那個時候開始研究LNPs載體。

SORT-LNP技術的優勢

經過多年的探索，我與合作伙伴在LNPs技術開發方面也取得了一些創新成果。在2020年發表于Nature Nanobitechnology雜志上的一項研究中，我們首次報道了SORT（Selective ORrgan Targeting）技術。通過額外添加一種SORT分子，我們系統地設計了多種靶向肝外組織的LNPs。我們證實，在SORT分子的幫助下，LNPs可特異性靶向肺、脾、肝臟，并實現相關細胞（包括上皮細胞、內皮細胞、B細胞、T細胞和肝細胞）的mRNA遞送和基因編輯。

與傳統LNPs的研發相比，SORT技術最大的優勢在于可預測性和簡便性。由于SORT技術具有普適性，在研發靶向LNPs載體的時候可以明確給出研發方向，因此大大降低了LNPs篩選庫的樣本量，從而縮短研發周期。基于這一mRNA靶向遞送技術，星銳醫藥的管線布局也有相應的特點，針對肝、肺、脾臟都有項目正在推進中。

mRNA疫苗之外的應用

就現有知識來看，遞送mRNA是LNPs的最佳應用之一，LNPs潛在的應用場景取決于研發靶向性LNPs的能力。理論上，mRNA可以表達出任意我們想要的蛋白，只要LNPs的靶向性足夠好，那么LNPs-mRNA的應用場景將無比廣闊。目前除了熟知的疫苗外，通過蛋白替換（表達功能正常的蛋白）、基因編輯（表達編輯系統相關蛋白）手段，LNPs已經在代謝疾病、遺傳疾病、癌癥等治療中有所應用。

未來3-5年重點研發方向

當然，想要獲得進一步的突破，LNPs技術仍有很多挑戰需要克服。未來3-5年，靶向性（靶向特定臟器中特定細胞的能力）研究可能會是LNPs研發的重點方向，這方面的改進一方面可明確提升治療效果，另一方面也可降低脫靶效應。就SORT技術而言，接下來，我們的首要任務是明確其具體的靶向遞送機制及作用機理，這將更有助于指導研發靶向其他重要器官的LNPs體系。

參考資料：

[1] Elie Dolgin. Better lipids to power next generation of mRNA vaccines. Science. 2022.

[2] 張庭瑜 et al. 脂質納米顆粒的制備及在基因治療中的應用. 化學通報. 2022.

[3] Siri Tahtinen et al. IL-1 and IL-1raare key regulators of the inflammatory response to RNA vaccines. Nature Immunology. 2022.

[4] Manuel J. Carrasco et al. Ionizationand structural properties of mRNA lipid nanoparticles influence expression inintramuscular and intravascular administration. Communications Biology. 2021.

[5] SumanAlishetty et al. Novel lipid nanoparticle provides potent SARS-CoV-2 mRNAvaccine at low dose with low local reactogenicity, high thermostability andlimited systemic biodistribution. Research Square. 2021.

[6] Siddharth Patel et al. Naturally-occurringcholesterol analogues in lipid nanoparticles induce polymorphic shape andenhance intracellular delivery of mRNA. Nature Communications. 2020.

[7] Sara S. Nogueira et al. Polysarcosine-FunctionalizedLipid Nanoparticles for Therapeutic mRNA Delivery. ACS Applied Nano Materials.2020.

[8] Qiang Cheng et al. Selective organ targeting (SORT) nanoparticles for tissue-specific mRNA delivery and CRISPR–Cas gene editing. Nature Nanotechnology(2022).

[9] https://www.nanovationtx.com/

[10] https://vaxequity.com/

[11] https://aexerna.bio/

[12] https://arcturusrx.com/