文/陈根
作为新冠mRNA新冠疫苗的载体，mRNA 脂质纳米颗粒（LNP）已经获得了巨大的成功。可以说，基于mRNA的新冠疫苗之所以能够在新冠病毒基因组序列发布后不到一年里就获得了成功，正是因为研究人员在脂质纳米颗粒（LNP）递送技术上长达几十年的努力。
在mRNA新冠疫苗作用的过程中，脂质纳米颗粒不仅起到保护mRNA，帮助它们进入人体细胞的作用，还协助它们指导细胞生成病毒蛋白。可以说，没有脂质纳米颗粒就没有mRNA新冠疫苗。
当然，脂质纳米颗粒的终点并不仅仅是mRNA新冠疫苗，现在，科学家们正在尝试将脂质纳米颗粒递送到肺部，创造更多医学治疗的可能。
LNP的过去和现在
脂质是一种常见的生物分子，比如，脂肪和胆固醇等都是脂质。顾名思义，纳米脂质颗粒就是一种基于脂质构建的纳米颗粒，LNP的直径通常在20-200纳米之间。LNP的诞生和发展已经有了一段相当长的时间。
上世纪80年代，英属哥伦比亚大学的Pieter Cullis教授在一次研究中意外发现，抗癌药物可以扩散并停留在脂质体中，而且这些脂质体在注射到患癌症动物体内后会穿过肿瘤脉管系统进入细胞并将药物释放出来。其中，脂质体是由磷脂双层制成的中空球形囊泡，细胞膜的基本结构也是磷脂双分子层，因此脂质体具有很好的生物相容性。
Cullis团队最初希望利用脂质体把一些有毒的抗癌药物安全地递送到肿瘤中，后来，在90年代中期，他们开始尝试利用脂质体递送更大的分子，如核酸药物。
彼时，遗传学的研究如火如荼，利用核酸药物从基因水平开发疾病的治疗方法成为当时流行的研究方向。然而，由于核酸是带负电的，天然脂质也都带负电，这意味着，用传统的脂质体向细胞内递核酸显然是行不通的，换言之，想要解决这个问题需要向脂质体中添加带正电荷的脂质来平衡带负电荷的核酸。然而，自然界中并没有阳离子脂质，而且带正电的脂质毒性很大，会将细胞膜撕裂。
在这样的情况下， Cullis团队开发出了一种在特定条件下才带电的新型脂质，这种脂质在酸性（低）pH值的环境下带正电，此时能与带负电的核酸很好地结合，但在血液中呈中性，能减少阳离子脂质的毒性作用。
并且，当使用微流体将溶解在乙醇中的脂质与溶解在酸性缓冲液中的核酸混合时，脂质与核酸能自发形成LNP。
LNP能通过内吞作用被细胞吸收，并且脂质在低pH值下具有可电离性，再通过内体逃逸将其所递送的药物释放到细胞质中。 此后，经过不断地优化，LNP逐渐应用在多种核酸药物的递送中。今天，LNP已经被广泛应用于药物和基因传递，尤其是在基因编辑、疫苗和肿瘤治疗等领域。
我们可以将LNP看作一个小巧的塑料球。就像一个小球可以装载许多不同的东西，LNP也可以装载多种不同的药物、基因或其他治疗物质。这个球的表面由多种不同的脂质分子构成，这些脂质分子可以被设计成特定的形状和大小，以实现更好的药物传递和治疗效果。因为LNP的大小与生物细胞相近，它们可以更容易地穿过细胞膜进入细胞内部，将药物或基因释放到目标细胞中。
近年来，经过不断地优化，LNP逐渐应用在多种核酸药物的递送中。2018年，FDA批准了第一款使用LNP递送的核酸药物patisiran，这是一款RNA干扰疗法，用于治疗转甲状腺素蛋白家族性淀粉样多发性神经病（TTR-FAP），这也是FDA批准的第一款siRNA药物。
mRNA疫苗下的LNP复兴
mRNA新冠疫苗的成功研发和应用，不仅是LNP的一次技术突破，也带来了LNP递送技术的“复兴”。
作为一种新型疫苗，mRNA疫苗的基本原理是利用人体细胞的自然机制，将特定病原体的mRNA序列传递给人体细胞，使细胞产生与该病原体相对应的抗原蛋白，从而诱导人体产生针对该病原体的免疫反应。
mRNA疫苗通常包含两个主要组成部分：mRNA序列和载体。mRNA序列是用来编码一种病原体的蛋白质，这种蛋白质能够诱导人体免疫系统产生对该病原体的免疫反应。载体则是用来包装和保护mRNA序列，并将其传递到人体细胞内的物质。LNP就是一种常用的载体技术，其基本原理是将mRNA序列包装在一层脂质纳米粒子中。这些脂质纳米粒子通常由几种不同的脂质和其他化学物质组成，可以通过特定的化学反应组装成球形结构，其中mRNA序列被包裹在球内。这种结构可以保护mRNA序列不被降解，同时可以增加它们被人体细胞摄取的效率。
当LNP载体被注射到人体内时，它们会被摄取到特定的细胞中，并释放出mRNA序列。人体细胞会使用这些mRNA序列来合成病原体的蛋白质，这些蛋白质会被细胞表面的MHC分子展示出来，并被人体免疫系统识别为外来物质，从而引发免疫反应。
而正是基于LNP技术的突破，mRNA新冠疫苗才得以成功研发。要知道，mRNA新冠疫苗的研发必须要克服重重障碍：mRNA疫苗中的mRNA编码着新冠病毒表面的抗原蛋白，如果能够与人体细胞内负责生产蛋白的核糖体相结合，就能够“指挥”核糖体生成病毒蛋白。
然而，mRNA是一种非常脆弱的分子，在我们的日常环境和身体中有很多酶能够迅速将它们降解，这是将mRNA递送到细胞内部需要解决的第一个障碍。而且，mRNA链是一个带有负电荷的长链大分子。在人体的细胞表面有一层也带有负电荷的细胞膜，mRNA分子没法轻易穿过细胞膜进入细胞内部。这些障碍也是mRNA技术早期开发时，很多科学家认为它不可能成功的原因。
基于此，研究人员在LNP的基础山，开发了一种被称为“可离子化的脂质分子”。这种经过改变的LNP的极性随着pH值的变化会改变，在低pH值的环境中，它携带正电荷，这让它们可以与mRNA形成复合体，起到稳定mRNA的作用。然而在生理pH值时，它是中性的，这减少了它的毒副作用。
在LNP的外围，还包裹着受到聚乙二醇修饰的脂质分子（PEGylated lipid），聚乙二醇（PEG）的修饰具有多种功能，它能够防止LNP聚集在一起，控制LNP颗粒的大小，并且在最初可以起到防止LNP被人体的免疫系统发现的作用。此外，LNP中还包含着胆固醇和其它辅助脂质分子，协助构成LNP的完整结构。
LNP在碰到细胞膜时会被细胞吞入到细胞内形成称为内体的囊泡。在细胞内部，内体的pH值会降低，导致可离子化的脂质分子携带正电荷，这会改变LNP的构象，促使mRNA从内体中解脱出来，然后它们就可以与负责生产蛋白的核糖体结合，指导病毒蛋白的合成。
可以说，正是因为LMP，mRNA才能顺利进入人体细胞，并指导细胞生成病毒蛋白。而辉瑞/BioNTech和Moderna新冠疫苗的成功又激发了进一步优化LNP技术的热情。
将基因编辑直接送进肺部？
有效的LNP递送技术不但在mRNA新冠疫苗开发中起到了非常关键的作用，它还具有递送mRNA疗法、基因疗法，以及CRISPR基因编辑疗法的潜力。
近日，美国麻省理工学院和马萨诸塞大学医学院的工程师宣布，他们设计了一种新型纳米颗粒，可以将其输送到肺部，在那里它可以传递编码有用蛋白质的信使 RNA。麻省理工学院科赫综合癌症研究所和医学工程与科学研究所 (IMES) 的教授表示，这是首次向小鼠肺部高效递送 mRNA。研究人员希望它可以用于治疗或修复一系列遗传疾病，包括囊性纤维化。
几年前，安德森的实验室着手设计能够更好地转染构成肺部大部分内壁的上皮细胞的颗粒。2019 年，他的实验室创造了纳米颗粒，可以将编码生物发光蛋白的 mRNA 传递给肺细胞。这些颗粒是由聚合物而不是脂质制成的，这使得它们更容易雾化吸入肺部。然而，需要对这些颗粒做更多的工作，以提高它们的效力并最大限度地发挥它们的作用。
在此次的新研究中，研究人员着手开发可以靶向肺部的脂质纳米颗粒。这些粒子由包含两部分的分子组成：带正电的头部和长的脂质尾部。头基的正电荷帮助粒子与带负电荷的 mRNA 相互作用，它也帮助 mRNA 从细胞结构中逃脱，一旦粒子进入细胞就会吞噬粒子。
同时，脂质尾部结构有助于颗粒穿过细胞膜。研究人员为脂质尾部提出了 10 种不同的化学结构，以及 72 种不同的头基。通过在小鼠中筛选这些结构的不同组合，研究人员能够识别出最有可能到达肺部的结构。
在对小鼠的进一步测试中，研究人员表明，他们可以使用这些颗粒来传递编码 CRISPR/Cas9 成分的 mRNA，这些成分旨在切断基因编码到动物肺细胞中的停止信号。当停止信号被移除时，荧光蛋白的基因就会打开。测量这种荧光信号可以让研究人员确定成功表达 mRNA 的细胞百分比。
研究人员发现，在一剂 mRNA 后，大约 40% 的肺上皮细胞被转染。两剂使水平达到 50% 以上，三剂达到 60%。治疗肺部疾病最重要的目标是两种类型的上皮细胞，称为棒状细胞和纤毛细胞，每一种都以大约 15% 的比例被转染。这种脂质可以使得输送系统更有效地将 mRNA 输送到肺部。新颗粒也会迅速分解，使它们能够在几天内从肺部清除并降低发炎的风险。
LNP技术作为一种新兴的药物传递技术，主要应用于将脂质纳米粒子作为载体，将药物分子转运到细胞内，不管是mRNA新冠疫苗，还是肺mRNA高效递送和基因组编辑，都显示出了LNP技术广泛的价值和意义。可以预见，未来，LNP技术还将在提高药物的治疗效果和安全性、开发新型疫苗和促进药物研发的创新发挥重要的作用。
