諾獎背后的關鍵技術，拯救無數人的生命！數十年的探索，帶來廣闊的治療前景

編者按：隨著RNA療法在多個治療領域不斷取得突破，脂質納米顆粒（LNP）作為極具潛力的非病毒RNA遞送平臺，已被廣泛應用于多款已上市藥物和疫苗中。LNP能夠將mRNA分子安全、高效遞送至細胞內部，正逐漸成為影響RNA療法療效與產業化進程的關鍵技術。依托于一體化、端到端的CRDMO平臺，藥明康德支持合作伙伴推進LNP可行性研究、制劑開發和工藝開發，助力前沿科技轉化為惠及全球患者的突破性療法。近日，一篇發表于Nature Reviews Drug Discovery的綜述系統梳理了LNP的發展進程。本文將結合公開資料，對這一領域的研究進展進行梳理與介紹。

2023年，諾貝爾生理學或醫學獎授予了mRNA疫苗的兩位開發者——卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）博士和德魯·魏斯曼（Drew Weissman）博士。經過眾多科學家數十年的探索，mRNA這種曾長期停留在實驗室階段的分子，真正成為具有廣闊潛力的治療手段。

mRNA要真正發揮功能，首先要解決一個根本難題：它本身是一種極為脆弱的分子，進入人體后會在幾分鐘內被無處不在的酶降解；同時，它的骨架帶有大量負電荷，而細胞膜表面也帶負電，同種電荷相互排斥，使得mRNA幾乎無法靠近細胞膜，更不用說進入細胞進行后續的蛋白質翻譯了。

而讓mRNA最終得以突破這道屏障、進入細胞并發揮功能的，是一種名為脂質納米顆粒（LNP）的關鍵遞送技術。

讓核酸遞送成為可能

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

但就像前文所說，這類治療面臨著一項根本性挑戰：如何讓帶有負電荷的核酸分子穿透帶負電荷的細胞膜，進入細胞內部？

一種策略是使用病毒作為核酸傳遞工具。

病毒經過億萬年的進化，已經掌握了高效侵入細胞的本領。但是，病毒載體可能引發免疫反應，同時攜帶核酸的能力有限。因此，科學家們也在尋找非病毒的替代方案。

圖片來源：123RF

1964年，科學界迎來了一項重要發現：當將雞蛋卵磷脂分散在水中時，這些脂質分子會自發形成同心圓狀的脂雙層結構，包裹住一部分水。這些被稱為“脂質體”的微小囊泡，恰好模仿了生物細胞膜的基本結構。

這一發現開啟了對脂質的深入研究。科學家們發現，脂質不僅僅是被動的結構材料，還能在膜內流動、改變形狀，甚至與其他膜融合。這些性質后來被證明對核酸遞送至關重要。

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

突破性進展：改變脂質特性

1987年，生物化學家菲利普·費爾格納（Philip Felgner）教授提出了一個革命性的想法：如果使用帶正電荷的脂質體制備脂質體，它們就會與帶負電荷的核酸發生靜電吸引，從而提高包裹效率。并且，脂質體還能夠輕松與負電荷的細胞環境結合，促進其細胞穿透。

經過一系列嘗試，他成功合成了第一種陽離子脂質——DOTMA。DOTMA與輔助脂質混合并分散在水中時，可以形成穩定的小型帶正電荷脂質體。將這些脂質體與質粒DNA混合，就能形成被稱為“脂質復合物”的結構。這些脂質復合物能夠高效地將DNA和mRNA送入培養細胞，無需添加任何靶向元件。

陽離子脂質在體外細胞實驗中表現出色，但能否應用于體內呢？

隨后，費爾格納教授嘗試將脂質復合物DNA和mRNA直接注射到小鼠肌肉組織中，觀察基因表達情況。結果，它們在肌肉中顯示出了可觀的表達水平。

解決另一環：實現長期循環

盡管陽離子脂質體在體外轉染中表現出色，但其體內應用仍然具有局限性。因為帶正電荷的脂質體會激活免疫補體系統，同樣會被快速清除。研究人員意識到，要實現長循環和靶向遞送，需要開發在生理pH條件下呈電中性的遞送系統。

1994年，生物化學家彼得·庫利斯（Pieter Cullis）教授為突破這一環帶來了重要貢獻。他在研究脂質不對稱性時發現，弱堿性可電離陽離子脂質DODAP可響應pH梯度，并在脂質體雙層中重新分布改變電荷屬性。當pH低于6.8時，DODAP帶正電荷；當升至生理值pH7.4時，則轉變為中性疏水形式。

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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電的反義寡核苷酸結合，形成脂質-核酸復合物；進入人體體液環境后，DODAP轉變為中性形式，此時核酸分子會遷移至由輔助脂質構成的極性區域。這一自組裝過程最終形成了具有核-殼結構的LNP，能夠長期存在于循環系統中。這一特性成為了后續LNP技術的核心設計原理。

2001年，基于這一原理的穩定化反義脂質顆粒（SALP）成功實現了反義寡核苷酸的高效包裹。這些顆粒靜脈注射后表現出長期循環，且毒性低于常規的脂質復合物。

從實驗室走向應用

隨后，LNP技術進入快速優化階段。通過多種設計，研究人員開發了一系列高效可電離陽離子脂質。這些技術進步使LNP與小干擾RNA（siRNA）首先走到了一起，一些測試發現兩者結合能夠高效沉默肝臟中的靶基因。臨床試驗顯示，LNP-siRNA系統能快速、穩健地降低循環中的轉甲狀腺素蛋白水平。

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

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在同一時期，LNP與mRNA的組合系統也在迅速發展。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蛋白的自擴增RNA。通過肌內注射該LPN后，小鼠產生了強效的保護性免疫反應。

后續還有研究表明，編碼促紅細胞生成素的mRNA可被包裹在LNP系統中，靜脈注射后能轉染豬的肝臟，導致循環中高水平的促紅細胞生成素；2017年，有研究發現皮內注射編碼病毒蛋白的LNP-mRNA，能提供對寨卡病毒的優異疫苗保護，這為相關mRNA疫苗提供了重要啟示。

目前，有數十種使用LNP遞送技術的疫苗和治療方法進入臨床開發階段，涵蓋從傳染病到癌癥的廣泛領域。這一系列成功的臨床前探索，使得LNP-mRNA技術平臺日益成熟，也促成了mRNA疫苗的誕生。

一體化平臺助力LNP研發和生產

如今，LNP技術正在開啟一個更廣闊的探索時代。

展望未來，LNP技術的一項關鍵任務是突破肝靶向的局限，開發能夠精準遞送至肝外組織的新型LNP系統，從而拓展其在更多疾病領域的應用。與此同時，與分子生物學工具的深度結合正成為另一大趨勢，有望讓LNP在個體化治療等領域發揮更大潛力。

此外，在脂質體和LNP遞送體系快速發展的背景下，脂質材料的研發與合成能力正成為RNA藥物研發的重要基礎。

在這一趨勢下，藥明康德旗下合全藥業（WuXi STA）的脂質納米顆粒平臺旨在幫助客戶項目從研發階段快速推進到臨床和商業化生產階段。平臺的LNP研發實驗室配備了多通道微混合系統、不同規模的切向流過濾（TFF）系統、無菌過濾系統和分析設備。同時還配備其它混合技術與設備，例如MIVM、微流體、精密納米系統和LNP擠出系統。研發實驗室可進行LNP可行性研究、制劑開發和工藝開發。

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平臺的LNP生產車間為模塊化設計，將多通道芯片、微混合系統和復雜的制備系統整合到一個以多通道微混合器為核心的LNP生產平臺中，在藥物載量、脂質體粒徑控制和包封效率方面有顯著的優勢。此外，模塊化設計提供了更高的靈活性，使該平臺能夠支持各種生產規模，每批可達10-50升。

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

作為全球生物醫藥創新的賦能者，藥明康德將持續通過CRDMO業務模式，助力更多全球合作伙伴，將更多科學創新轉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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