沒有它就沒有mRNA新冠疫苗，脂質納米顆粒技術迎來“復興”

　　如今，世界上成百上千萬人已經接種了基于mRNA技術開發的新冠疫苗。它們在幫助人們產生對新冠病毒的免疫力，控制新冠疫情的蔓延方面起到了舉足輕重的作用。這種疫苗的一個關鍵元素是mRNA，這種遺傳物質能夠讓我們自己身體中的細胞生成新冠病毒蛋白，從而激發免疫系統產生針對新冠病毒的免疫反應，從而預防未來可能發生的感染。

　　這個過程說起來簡單，但是想讓mRNA穿過細胞膜達到細胞內部卻不是一件容易的事。基于mRNA的新冠疫苗之所以能夠在新冠病毒基因組序列發布后不到一年里就獲得了成功，得益于研究人員在脂質納米顆粒（LNP）遞送技術上長達幾十年的努力。今天藥明康德內容團隊將與讀者介紹這個保護mRNA，幫助它們進入人體細胞，然后又協助它們指導細胞生成病毒蛋白的“好幫手”——脂質納米顆粒。可以說，沒有它就沒有現在的mRNA新冠疫苗。

　　mRNA疫苗成功需要克服的障礙

　　mRNA疫苗中的mRNA編碼著新冠病毒表面的抗原蛋白，如果能夠與人體細胞內負責生產蛋白的核糖體相結合，就能夠“指揮”核糖體生成病毒蛋白。不過mRNA是一種非常脆弱的分子，在我們的日常環境和身體中有很多酶能夠迅速將它們降解，這是將mRNA遞送到細胞內部需要解決的第一個障礙。

　　而且，mRNA鏈是一個帶有負電荷的長鏈大分子。在人體的細胞表面有一層也帶有負電荷的細胞膜，mRNA分子沒法輕易穿過細胞膜進入細胞內部。這些障礙也是mRNA技術早期開發時，很多科學家認為它不可能成功的原因。

　　脂質納米顆粒——將mRNA送進細胞的載體

　　▲脂質納米顆粒結構示意圖（圖片來源：參考資料[3]）

　　如今在mRNA新冠疫苗中使用的LNP包含了這一技術在過去三十年中積累的多種創新。因為mRNA帶有負電荷，所以會受到同樣帶有負電荷的細胞膜的排斥。所以，研究人員使用了攜帶正電荷的脂質分子（上圖中的粉色分子）來幫助LNP進入細胞。然而，帶有正電荷的脂質分子具有一定毒性，用量過多可能導致細胞膜被破壞，從而殺傷健康細胞。早期利用攜帶正電荷的脂質分子構建的納米顆粒或者脂質體經常因為毒副作用而中止開發。

　　LNP技術的一個突破是使用了被稱為“可離子化的脂質分子”（ionizable lipids，上圖中的綠色分子）。它的極性隨著pH值的變化會改變，在低pH值的環境中，它攜帶正電荷，這讓它們可以與mRNA形成復合體，起到穩定mRNA的作用。然而在生理pH值時，它是中性的，這減少了它的毒副作用。

　　在LNP的外圍，還包裹著受到聚乙二醇修飾的脂質分子（PEGylated lipid），聚乙二醇（PEG）的修飾具有多種功能，它能夠防止LNP聚集在一起，控制LNP顆粒的大小，并且在最初可以起到防止LNP被人體的免疫系統發現的作用。

　　此外，LNP中還包含著膽固醇和其它輔助脂質分子，協助構成LNP的完整結構。

　　▲LNP攜帶的mRNA疫苗進入細胞，并且釋放mRNA指導蛋白合成的示意圖（圖片來源：參考資料[3]）

　　LNP在碰到細胞膜時會被細胞吞入到細胞內形成稱為內體（endosome）的囊泡。在細胞內部，內體的pH值會降低，導致可離子化的脂質分子攜帶正電荷，這會改變LNP的構象，促使mRNA從內體中解脫出來，然后它們就可以與負責生產蛋白的核糖體結合，指導病毒蛋白的合成了。

　　脂質納米顆粒遞送技術的“復興”

　　在mRNA新冠疫苗得到廣泛使用之前，美國FDA已經批準過使用LNP技術遞送的RNAi療法。2018年，由Alnylam公司開發的RNAi療法Onpattro（patisiran）就使用了LNP技術遞送治療遺傳性轉甲狀腺素蛋白淀粉樣變性（hATTR）患者的RNAi療法。不過作為每三周就需要輸注一次的療法，患者仍然需要服用多種抗炎癥藥物來減少對LNP的不良反應。Alnylam也轉向使用偶聯技術來開發新一代皮下注射的RNAi療法。

　　而輝瑞/BioNTech和Moderna新冠疫苗的成功激發了進一步優化LNP技術的熱情。有效的LNP遞送技術不但對新的mRNA疫苗開發非常關鍵，它還具有遞送mRNA療法、基因療法，以及CRISPR基因編輯療法的潛力。

　　除了提高LNP的遞送效率和降低LNP的毒性，靶向遞送到人體中的特定組織和細胞是這一領域需要克服的下一個挑戰。目前，大多數靜脈注射的LNP會聚集到肝臟，肌肉注射的疫苗能夠被免疫細胞攝入，但是LNP還不能特異性地將藥物遞送到身體其它部位的大部分組織中。不過近日，由諾貝爾化學獎得主Jennifer Doudna博士聯合創建的Intellia Therapeutics公司宣布，該公司開發的LNP能夠特異性地將CRISPR基因編輯療法遞送到骨髓中，從而增強對造血干細胞和骨髓細胞的基因編輯。

　　我們期待LNP技術在mRNA新冠疫苗開發方面的成功能夠激發這一領域的進一步突破，促進mRNA療法、基因療法以及基因編輯療法等多種創新治療模式的開發。

　　參考資料：

　　[1] Without these lipid shells, there would be no mRNA vaccines for COVID-19. Retrieved April 27, 2021, from https://cen.acs.org/pharmaceuticals/drug-delivery/Without-lipid-shells-mRNA-vaccines/99/i8

　　[2] Let’s talk about lipid nanoparticles. Retrieved April 27, 2021, from https://www.nature.com/articles/s41578-021-00281-4

　　[3] Aldosari et al., (2021). Lipid Nanoparticles as Delivery Systems for RNA-Based Vaccines. Pharmaceutics, https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13020206.