諾獎(jiǎng)背后的關(guān)鍵技術(shù)，拯救無數(shù)人的生命！數(shù)十年的探索，帶來廣闊的治療前景

編者按：隨著RNA療法在多個(gè)治療領(lǐng)域不斷取得突破，脂質(zhì)納米顆粒（LNP）作為極具潛力的非病毒RNA遞送平臺(tái)，已被廣泛應(yīng)用于多款已上市藥物和疫苗中。LNP能夠?qū)RNA分子安全、高效遞送至細(xì)胞內(nèi)部，正逐漸成為影響RNA療法療效與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵技術(shù)。依托于一體化、端到端的CRDMO平臺(tái)，藥明康德支持合作伙伴推進(jìn)LNP可行性研究、制劑開發(fā)和工藝開發(fā)，助力前沿科技轉(zhuǎn)化為惠及全球患者的突破性療法。近日，一篇發(fā)表于Nature Reviews Drug Discovery的綜述系統(tǒng)梳理了LNP的發(fā)展進(jìn)程。本文將結(jié)合公開資料，對這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理與介紹。

2023年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了mRNA疫苗的兩位開發(fā)者——卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）博士和德魯·魏斯曼（Drew Weissman）博士。經(jīng)過眾多科學(xué)家數(shù)十年的探索，mRNA這種曾長期停留在實(shí)驗(yàn)室階段的分子，真正成為具有廣闊潛力的治療手段。

mRNA要真正發(fā)揮功能，首先要解決一個(gè)根本難題：它本身是一種極為脆弱的分子，進(jìn)入人體后會(huì)在幾分鐘內(nèi)被無處不在的酶降解；同時(shí)，它的骨架帶有大量負(fù)電荷，而細(xì)胞膜表面也帶負(fù)電，同種電荷相互排斥，使得mRNA幾乎無法靠近細(xì)胞膜，更不用說進(jìn)入細(xì)胞進(jìn)行后續(xù)的蛋白質(zhì)翻譯了。

而讓mRNA最終得以突破這道屏障、進(jìn)入細(xì)胞并發(fā)揮功能的，是一種名為脂質(zhì)納米顆粒（LNP）的關(guān)鍵遞送技術(shù)。

讓核酸遞送成為可能

隨著分子生物學(xué)“中心法則”的提出，科學(xué)家們意識(shí)到如果能夠操控遺傳物質(zhì)，就有可能治療甚至預(yù)防疾病。

但就像前文所說，這類治療面臨著一項(xiàng)根本性挑戰(zhàn)：如何讓帶有負(fù)電荷的核酸分子穿透帶負(fù)電荷的細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部？

一種策略是使用病毒作為核酸傳遞工具。

病毒經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，已經(jīng)掌握了高效侵入細(xì)胞的本領(lǐng)。但是，病毒載體可能引發(fā)免疫反應(yīng)，同時(shí)攜帶核酸的能力有限。因此，科學(xué)家們也在尋找非病毒的替代方案。

圖片來源：123RF

1964年，科學(xué)界迎來了一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)：當(dāng)將雞蛋卵磷脂分散在水中時(shí)，這些脂質(zhì)分子會(huì)自發(fā)形成同心圓狀的脂雙層結(jié)構(gòu)，包裹住一部分水。這些被稱為“脂質(zhì)體”的微小囊泡，恰好模仿了生物細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)。

這一發(fā)現(xiàn)開啟了對脂質(zhì)的深入研究。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，脂質(zhì)不僅僅是被動(dòng)的結(jié)構(gòu)材料，還能在膜內(nèi)流動(dòng)、改變形狀，甚至與其他膜融合。這些性質(zhì)后來被證明對核酸遞送至關(guān)重要。

最初，科學(xué)家嘗試將核酸包裹在脂質(zhì)體內(nèi)。然而，這些早期嘗試遇到了重重困難：由于脂質(zhì)體內(nèi)部空間太小，包裹效率極低；脂質(zhì)體表面帶負(fù)電荷，與同樣帶負(fù)電荷的核酸相互排斥；更關(guān)鍵的是，它的制備過程難以放大，無法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

突破性進(jìn)展：改變脂質(zhì)特性

1987年，生物化學(xué)家菲利普·費(fèi)爾格納（Philip Felgner）教授提出了一個(gè)革命性的想法：如果使用帶正電荷的脂質(zhì)體制備脂質(zhì)體，它們就會(huì)與帶負(fù)電荷的核酸發(fā)生靜電吸引，從而提高包裹效率。并且，脂質(zhì)體還能夠輕松與負(fù)電荷的細(xì)胞環(huán)境結(jié)合，促進(jìn)其細(xì)胞穿透。

經(jīng)過一系列嘗試，他成功合成了第一種陽離子脂質(zhì)——DOTMA。DOTMA與輔助脂質(zhì)混合并分散在水中時(shí)，可以形成穩(wěn)定的小型帶正電荷脂質(zhì)體。將這些脂質(zhì)體與質(zhì)粒DNA混合，就能形成被稱為“脂質(zhì)復(fù)合物”的結(jié)構(gòu)。這些脂質(zhì)復(fù)合物能夠高效地將DNA和mRNA送入培養(yǎng)細(xì)胞，無需添加任何靶向元件。

陽離子脂質(zhì)在體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出色，但能否應(yīng)用于體內(nèi)呢？

隨后，費(fèi)爾格納教授嘗試將脂質(zhì)復(fù)合物DNA和mRNA直接注射到小鼠肌肉組織中，觀察基因表達(dá)情況。結(jié)果，它們在肌肉中顯示出了可觀的表達(dá)水平。

解決另一環(huán)：實(shí)現(xiàn)長期循環(huán)

盡管陽離子脂質(zhì)體在體外轉(zhuǎn)染中表現(xiàn)出色，但其體內(nèi)應(yīng)用仍然具有局限性。因?yàn)閹д姾傻闹|(zhì)體會(huì)激活免疫補(bǔ)體系統(tǒng)，同樣會(huì)被快速清除。研究人員意識(shí)到，要實(shí)現(xiàn)長循環(huán)和靶向遞送，需要開發(fā)在生理pH條件下呈電中性的遞送系統(tǒng)。

1994年，生物化學(xué)家彼得·庫利斯（Pieter Cullis）教授為突破這一環(huán)帶來了重要貢獻(xiàn)。他在研究脂質(zhì)不對稱性時(shí)發(fā)現(xiàn)，弱堿性可電離陽離子脂質(zhì)DODAP可響應(yīng)pH梯度，并在脂質(zhì)體雙層中重新分布改變電荷屬性。當(dāng)pH低于6.8時(shí)，DODAP帶正電荷；當(dāng)升至生理值pH7.4時(shí)，則轉(zhuǎn)變?yōu)橹行允杷问健?/p>

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這意味著，DODAP可以先在酸性條件下與小片段的帶負(fù)電的反義寡核苷酸結(jié)合，形成脂質(zhì)-核酸復(fù)合物；進(jìn)入人體體液環(huán)境后，DODAP轉(zhuǎn)變?yōu)橹行孕问剑藭r(shí)核酸分子會(huì)遷移至由輔助脂質(zhì)構(gòu)成的極性區(qū)域。這一自組裝過程最終形成了具有核-殼結(jié)構(gòu)的LNP，能夠長期存在于循環(huán)系統(tǒng)中。這一特性成為了后續(xù)LNP技術(shù)的核心設(shè)計(jì)原理。

2001年，基于這一原理的穩(wěn)定化反義脂質(zhì)顆粒（SALP）成功實(shí)現(xiàn)了反義寡核苷酸的高效包裹。這些顆粒靜脈注射后表現(xiàn)出長期循環(huán)，且毒性低于常規(guī)的脂質(zhì)復(fù)合物。

從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用

隨后，LNP技術(shù)進(jìn)入快速優(yōu)化階段。通過多種設(shè)計(jì)，研究人員開發(fā)了一系列高效可電離陽離子脂質(zhì)。這些技術(shù)進(jìn)步使LNP與小干擾RNA（siRNA）首先走到了一起，一些測試發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)合能夠高效沉默肝臟中的靶基因。臨床試驗(yàn)顯示，LNP-siRNA系統(tǒng)能快速、穩(wěn)健地降低循環(huán)中的轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白水平。

2018年，LNP技術(shù)迎來了重要里程碑——patisiran（帕替西蘭，商品名Onpattro）獲得FDA批準(zhǔn)，這款LNP-siRNA藥物用于治療遺傳性甲狀腺素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白淀粉樣變性。

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在同一時(shí)期，LNP與mRNA的組合系統(tǒng)也在迅速發(fā)展。2012年，有研究證明用于siRNA遞送的LNP也可用于包裹編碼呼吸道合胞病毒F蛋白的自擴(kuò)增RNA。通過肌內(nèi)注射該LPN后，小鼠產(chǎn)生了強(qiáng)效的保護(hù)性免疫反應(yīng)。

后續(xù)還有研究表明，編碼促紅細(xì)胞生成素的mRNA可被包裹在LNP系統(tǒng)中，靜脈注射后能轉(zhuǎn)染豬的肝臟，導(dǎo)致循環(huán)中高水平的促紅細(xì)胞生成素；2017年，有研究發(fā)現(xiàn)皮內(nèi)注射編碼病毒蛋白的LNP-mRNA，能提供對寨卡病毒的優(yōu)異疫苗保護(hù)，這為相關(guān)mRNA疫苗提供了重要啟示。

目前，有數(shù)十種使用LNP遞送技術(shù)的疫苗和治療方法進(jìn)入臨床開發(fā)階段，涵蓋從傳染病到癌癥的廣泛領(lǐng)域。這一系列成功的臨床前探索，使得LNP-mRNA技術(shù)平臺(tái)日益成熟，也促成了mRNA疫苗的誕生。

一體化平臺(tái)助力LNP研發(fā)和生產(chǎn)

如今，LNP技術(shù)正在開啟一個(gè)更廣闊的探索時(shí)代。

展望未來，LNP技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)是突破肝靶向的局限，開發(fā)能夠精準(zhǔn)遞送至肝外組織的新型LNP系統(tǒng)，從而拓展其在更多疾病領(lǐng)域的應(yīng)用。與此同時(shí)，與分子生物學(xué)工具的深度結(jié)合正成為另一大趨勢，有望讓LNP在個(gè)體化治療等領(lǐng)域發(fā)揮更大潛力。

此外，在脂質(zhì)體和LNP遞送體系快速發(fā)展的背景下，脂質(zhì)材料的研發(fā)與合成能力正成為RNA藥物研發(fā)的重要基礎(chǔ)。

在這一趨勢下，藥明康德旗下合全藥業(yè)（WuXi STA）的脂質(zhì)納米顆粒平臺(tái)旨在幫助客戶項(xiàng)目從研發(fā)階段快速推進(jìn)到臨床和商業(yè)化生產(chǎn)階段。平臺(tái)的LNP研發(fā)實(shí)驗(yàn)室配備了多通道微混合系統(tǒng)、不同規(guī)模的切向流過濾（TFF）系統(tǒng)、無菌過濾系統(tǒng)和分析設(shè)備。同時(shí)還配備其它混合技術(shù)與設(shè)備，例如MIVM、微流體、精密納米系統(tǒng)和LNP擠出系統(tǒng)。研發(fā)實(shí)驗(yàn)室可進(jìn)行LNP可行性研究、制劑開發(fā)和工藝開發(fā)。

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平臺(tái)的LNP生產(chǎn)車間為模塊化設(shè)計(jì)，將多通道芯片、微混合系統(tǒng)和復(fù)雜的制備系統(tǒng)整合到一個(gè)以多通道微混合器為核心的LNP生產(chǎn)平臺(tái)中，在藥物載量、脂質(zhì)體粒徑控制和包封效率方面有顯著的優(yōu)勢。此外，模塊化設(shè)計(jì)提供了更高的靈活性，使該平臺(tái)能夠支持各種生產(chǎn)規(guī)模，每批可達(dá)10-50升。

值得一提的是，合全藥業(yè)也可以提供寡核苷酸和特定功能性脂質(zhì)（如可電離脂質(zhì)和聚乙二醇化脂質(zhì)）的合成和生產(chǎn)服務(wù)。該平臺(tái)提供端到端服務(wù)，包含原料藥、制劑和分析支持的一體化CMC開發(fā)和生產(chǎn)服務(wù)。

作為全球生物醫(yī)藥創(chuàng)新的賦能者，藥明康德將持續(xù)通過CRDMO業(yè)務(wù)模式，助力更多全球合作伙伴，將更多科學(xué)創(chuàng)新轉(zhuǎn)化為造福病患的突破性療法。

參考資料：

[1] Cullis, P.R., Felgner, P.L. The 60-year evolution of lipid nanoparticles for nucleic acid delivery. Nat Rev Drug Discov 23, 709–722 (2024). https://doi.org/10.1038/s41573-024-00977-6

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免責(zé)聲明：本文僅作信息交流之目的，文中觀點(diǎn)不代表藥明康德立場，亦不代表藥明康德支持或反對文中觀點(diǎn)。本文也不是治療方案推薦。如需獲得治療方案指導(dǎo)，請前往正規(guī)醫(yī)院就診。