Nature子刊：韓雪祥等利用定向化學進化，加速遞送mRNA的新型LNP的開發

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨王多魚

基於mRNA的療法和疫苗正在徹底改變治療或預防疾病的現代醫學方法。 最近，三種基於脂質納米顆粒（LNP）的RNA藥物或mRNA疫苗獲批，以及LNP-mRNA疫苗或療法的持續進展，引發了人們對LNP這種安全有效的非病毒載體的極大興趣。

可電離脂質（LNP的四種組分之一） 在很大程度上決定了脂質納米顆粒（LNP）的生物相容性和mRNA遞送的有效性。通過理性設計和組合合成，已開發出高效、生物可降解的可電離脂質，但目前仍缺乏逐步優化離子化脂質結構的方法。

2024年11月22日，賓夕法尼亞大學Michael J. Mitchell團隊（韓雪祥博士爲第一作者，現爲中國科學院分子細胞科學卓越創新中心研究員）在 Nature 子刊Nature Biomedical Engineering上發表了題爲： Optimization of the activity and biodegradability of ionizable lipids for mRNA delivery via directed chemical evolution 的研究論文 。

該研究利用胺-醛-炔（amine-aldehyde-alkyne，A3） 偶聯反應 迭代加速基於炔丙胺的可電離脂質 （命名爲A3-脂質） 的結構優化，以提高其遞送活性和生物可降解性。通過5輪定向化學進化，該研究確定了數十種生物可降解、非對稱A 3 -脂類，其遞送活性與標準可電離脂類相當或更優，改善了基於mRNA的CRISPR基因編輯其的肝臟遞送和SARS-CoV-2 mRNA疫苗的肌肉遞送。

更重要的是，該研究提出的定向化學進化方法和發現的結構標準或將mRNA遞送所需的可電離脂類的開發時間從數年縮短到數月甚至數週，從而加速基於mRNA的疫苗和療法的開發，對包括感染疾病和遺傳疾病的治療產生廣泛影響。

韓雪祥，本科畢業於上海大學，博士畢業於清華大學（國家納米科學中心聯合培養），博士期間在趙宇亮研究員、李亞棟教授和聶廣軍研究員指導下從事納米藥物的抗腫瘤研究。2020年，韓雪祥加入了賓夕法尼亞大學Michael Mitchell實驗室進行博士後研究工作，致力於開發用於mRNA遞送的新型LNP。2024年2月，韓雪祥入職中科院分子細胞科學卓越創新中心，任課題組長、博士生導師。

韓雪祥博士

傳統LNP配方包含四種成分：可電離脂類、磷脂、膽固醇和聚乙二醇化脂質。可電離脂質通常由1個氨基頭部和2個（或更多個）由連接子連接的烷基尾部組成，這些連接子在保護和運輸RNA貨物中發揮關鍵作用。在酸性LNP配方條件下，可電離脂質被質子化並轉換爲正電荷狀態，從而可以與帶負電的RNA分子結合和封裝。在生理pH值下，可電離脂質保持中性，從而規避與電荷相關的毒性並改善LNP的藥代動力學特徵。被細胞攝取後，內體的酸性環境有助於可電離脂質的質子化，導致其從內體中逃逸和mRNA的釋放。

值得注意的是，可電離脂質不僅影響LNP的效力，而且影響其生物相容性。因此，目前的研究重點是開發具有改善活性和生物降解性的可電離化脂質。

可電離脂類通常通過藥物化學或組合化學合成，藥物化學方法包括在假定的體內作用機制和經驗結構準則的指導下，對可電離脂類進行理性設計和多步驟有機合成。美國FDA批准的DLin-MC3-DMA （MC3） 是基於該方法開發的具有代表性的可電離脂質。儘管這種方法確保了製備理想候選脂質的高成功率，但它受到了費力、低通量的合成的限制，使其難以製備結構多樣的脂質和系統地研究結構-活性關係。而組合化學方法通常涉及基於高效的雙組分反應或多組分反應的可電離脂質合成。它能夠快速、高通量地合成結構多樣化的脂質，但由於易於獲得的起始材料的限制，它對具有高效力和生物降解性的脂質的命中率較低。

將基於藥物化學的理性設計的最佳構建模塊與基於組合化學的高通量合成相結合，利用了這兩種方法的優勢來生成所需的可電離脂質結構。然而，這一綜合方法仍然高度依賴於經驗主義和試錯實踐，這推動了開發一種理性驅動和逐步方法的方法，以從結構上優化具有所需性質的可電離脂質。

定向進化（directed evolution） 是一種強大的技術，應用於化學和生物學領域，通過在受控環境中模擬自然進化的原理來設計或改進分子和生物系統，使其具有所需特性。這一過程涉及反覆的突變、篩選和選擇，以優化所需的性狀或功能。定向進化的原理可以被利用來加速可電離脂質的開發，並改善其活性和生物降解性。

在這項最新研究中，研究團隊基於創新的組合化學-A3（amine-aldehyde-alkyne，胺-醛-炔） 偶聯，提出了一種定向化學進化方法，用於對可電離脂類進行加速、理性驅動的迭代結構優化。

首先，研究團隊使用市售的起始材料生成了基於炔丙胺（propargylamine）的可電離脂質 （稱爲A3-脂質） 的先導文庫，然後篩選這些脂質的mRNA遞送效率。

接下來，研究團隊以具有良好結構/性狀的高性能A 3 -脂質爲起點，進行了後續一輪理性驅動的、定製的、定點的“突變”和篩選，並在多次迭代中逐步提高了效力和生物可降解性。

經過5輪的定向化學進化，研究團隊發現了數十種生物可降解的非對稱A3-脂質，其效力達到或超過行業標準的可電離脂質，並確定了決定其體內mRNA遞送效力的關鍵結構標準。

最後，研究團隊證明了在基於mRNA的CRISPR基因編輯（肝臟遞送）和COVID-19疫苗（肌肉遞送）應用中，該研究發現的主要的A 3 -脂質相對於FDA批准的兩種可電離脂質 （DLin-MC3-DMA、DOP-DEDA） 具有更高的性能。

論文第一作者韓雪祥博士表示，可電離脂質的開發有可能同時實現高速和高精確性，但想實現這一點，我們必須跳出該領域的傳統界限。該研究開發的A3反應不僅有效，而且足夠靈活，可以精確控制脂質分子結構。這種靈活性是微調可電離脂質特性以實現安全有效mRNA遞送的關鍵。

總的來說，該研究提出的定向化學進化方法和發現的結構標準或將mRNA遞送所需的可電離脂類的開發時間從數年縮短到數月甚至數週，從而加速基於mRNA的疫苗和療法的開發，對包括感染疾病和遺傳疾病的治療產生廣泛影響。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41551-024-01267-7