Cover story：脂质纳米颗粒用于mRNA递送和肿瘤成像

以信使RNA (mRNA)为基础的治疗方法近年来在治疗许多由蛋白质表达异常引起的疾病方面得到了广泛的关注，从遗传性疾病到侵袭性癌症。mRNA的应用包括蛋白质替代治疗、癌症免疫治疗、疫苗接种和基因编辑。与需要进入细胞核的基于DNA的基因治疗不同，mRNAs只需要到达细胞质就能产生有功能的蛋白质。基于mRNA的蛋白质替代疗法也不会整合到宿主基因组中，这降低了插入性突变的风险，值得注意的是，mRNA可以被翻译成许多蛋白质副本，这比直接蛋白质治疗更容易、更便宜，而且具有更低的生物安全风险。

然而，mRNA是一种大的、聚阴离子的单链分子，不易进入细胞质，在血液循环中由于高活性RNA酶的降解而不稳定，因此，像DNA和siRNA的递送一样，基于mRNA疗法的广泛应用由于缺乏有效和安全的递送系统而受到限制。近期，可电离脂质纳米颗粒(LNPs)和聚合物已被用于mRNA在体内的递送，这可以保护mRNA免受RNA酶的降解，防止不必要的清除，并促进细胞摄取。

此外，虽然在递送方面取得了重大进展，但应用mRNA药物治疗癌症的同时具备检测和肿瘤成像的能力，这将更加有利于肿瘤的治疗。因此，开发诊疗一体化mRNA LNPs，能有效地产生与肿瘤成像同步的功能蛋白，是一个令人兴奋而尚未解决的挑战。

装载mRNA的LNPs由可电离的阳离子脂质、磷脂(如DOPE)、胆固醇和聚乙二醇(PEG)脂质组成，各组分对LNPs的有效传递和稳定性起重要作用。可电离脂质是一种关键成分，在低pH条件下与带负电荷的mRNA在混合过程中静电结合，随后促进细胞摄取和通过核内体逃逸。

在本研究中，南开大学的熊虎教授和德克萨斯大学西南医学中心Daniel J. Siegwart研究团队合作制备了一种树状脂质纳米颗粒系统（DLNP），该系统中含有PEG化的荧光染料BODIPY（PEGylated BODIPY dyes , PBD），在体内外用于mRNA递送和近红外(NIR)成像。该研究成果发表在《Journal of Controlled Release》期刊第325期，并被选为该期封面文章。

图1、用于治疗性 mRNA递送的纳米颗粒

作者之前报道了一个大型树突状分子脂质纳米颗粒(DLNPs)库，该库可以有效地将siRNAs/miRNAs传递到受损的肝脏，并使用树状分子5A2-SC8延长患有侵袭性肝癌小鼠的生存时间 [1]。

在以前工作的基础上，作者发现PEG化的BODIPY染料(PBD)具有两条亲水性的PEG链和一条刚性的疏水性BODIPY尾巴，这与LNPs中使用的传统PEG-脂类具有结构上的相似性，受到这些观察的启发，作者在此开发了一个可降解的DLNPs和PBD脂质，用于在体内外进行高效的mRNA递送和无创近红外成像。

与用传统PEG化脂质制备的DLNPs相比，用pH响应的PBD 脂质制备的DLNPs能产生5- 35倍的功能蛋白。在低剂量0.1 mg kg^-1的情况下，当用配方中含有BODIPY核、吲哚连接剂和PEG长度在1000到5000 g/mol之间的制剂时，可在体内获得更高的mRNA递送效率。此外，作者发现肝脏中的mRNA表达水平与DLNPs的pKa具有相关性，即pKa接近于6.3的DLNPs一般可以在肝脏中产生更多的蛋白质。

图2、基于PBD的DLNPs在细胞中表现出较高的荧光素酶mRNA递送能力

值得注意的是，4A3-SC8 & PEG2k 5d制备的DLNPs成功介导了肿瘤mRNA的表达，并通过pH响应近红外成像同时照亮了肿瘤。该治疗性脂质纳米颗粒同时结合了mRNA递送和近红外成像技术，有望成为未来同时检测和治疗癌症的可行方法。

最后，作者提出，如何利用非病毒载体高效递送 mRNA 并又能同时检测相关疾病是一个尚未实现的目标，仍存在以下挑战：1) 缺少安全、高效的非病毒载体，如化学结构可调控的阳离子脂质；2) 缺少调控 mRNA蛋白表达水平的有效方法；3) 无法实现诊疗一体化 mRNA体内递送与成像检测。作者针对以上科学问题展开研究，并取得了一定研究成果。

未来的研究将集中于通过治疗性DLNP平台引入肿瘤抑制蛋白来治疗癌症。综上所述，本研究不仅强调了4A3-SC8 DLNPs作为载体诱导高效的功能蛋白表达，而且证明了设计和合成新的PEG化的脂质对于更好地理解和改善核酸在体内外递送的重要性。

参考资料

[1]. K. Zhou, et al, Modular degradable dendrimers enable small RNAsto extend survival in an aggressive liver cancer model, Proc. Natl. Acad. Sci.

文章信息

Volume 325, 10 September 2020, Pages 198-205

https:///10.1016/j.jconrel.2020.06.030

作者信息

本文第一作者及通讯作者：熊虎教授

郑州大学化学系本科(2009年)，中国科学院上海有机化学研究所有机化学博士(2014年)，导师是唐勇院士与谢作为院士。美国德克萨斯大学西南医学中心博士后(2014.09-2018.11)，合作导师为Daniel J. Siegwart。2018年12月入职南开大学化学学院，特聘研究员，博士生导师。目前主要从事：（1）近红外一区/二区有机小分子荧光探针的设计及在深部肿瘤诊疗中的应用；（2）利用mRNA构建生物自发光源的诊疗体系。

共同通讯：Daniel J. Siegwart副教授

理海大学本科(2003年)，卡内基梅隆大学博士(2008年)，麻省理工学院博士后(2008-2012)。2012-至今，德克萨斯大学西南医学中心，副教授，ReCode Therapeutics制药公司创始人之一。主要研究领域：开发有效传递siRNA、miRNA、mRNA和CRISPR/Cas9的生物材料，以控制肿瘤中的基因表达并治疗相关遗传疾病。