原位合成的可降解支链脂质能够有效递送mRNA

　　

信使核糖核酸(mRNA)技术在治疗和预防多种疾病，包括癌症、传染病、代谢紊乱和先天性疾病方面具有很大的前景。事实上，基于mrna的技术已经在疫苗、蛋白质补充疗法和基因编辑疗法方面取得了临床成功。具体来说，美国食品和药物管理局(FDA)批准了两种mRNA疫苗来预防COVID-19。mRNA是一种带负电荷的不稳定大分子，需要载体才能有效地在细胞内传递。

脂质纳米颗粒(LNP)是临床上最先进的mRNA非病毒传递平台。LNPs通常由可电离脂质(类脂)、磷脂、胆固醇和聚乙二醇(PEG)共轭脂质组成。脂质在mRNA货物的保护和运输中起着关键作用。在酸性pH下，脂质带正电荷，可以在LNP制备过程中浓缩mRNA，并在细胞内化过程中破坏内体膜。

在生理pH下，脂质保持中性电荷，从而限制毒性并改善LNPs的药代动力学性质。脂质通常包含一个可电离的头基和两个(或更多)烷基尾基，两者由一个连接体连接。值得注意的是，可降解的连接物(主要是酯键)优先用于脂质，以促进体内水解，提高生物相容性。此外，支链烷基尾巴也很受欢迎，因为这些尾巴促进脂质中锥形结构的形成，从而促进内体逃逸和mRNA的传递。

最近，Harashima等人进行了一项基于机理的研究，进一步证明了支链烷基尾巴增强了LNPs的稳定性、电离能力和功效。值得注意的是，两种具有可降解酯键和支链烷基尾的类脂体已成功用于已获批的COVID-19 mRNA疫苗，进一步验证了这些结构参数在有效类脂体设计中的优势。

然而，具有延伸烷基分支的可降解类脂化合物的合成困难阻碍了其系统的优化和研究。在以前的研究中，这些类脂质的构建完全基于两个主要步骤。首先，制备含有溴、醛、丙烯酸酯、羟基和羧基等官能团的支尾中间体。其次，将分叉的尾巴连接到头部组。这种构建方法通常涉及繁琐的合成和纯化，难以系统地优化这些化学结构和研究构效关系。

在此基础上，宾夕法尼亚大学的Michael Mitchell团队希望开发一种新的构建方法，利用现成的支链结构单元快速、经济、高通量地合成可降解的支链脂。为此，他们设计了一种基于一锅两步三组分反应(3-CR)的串联和原位组合合成可降解支化(DB)脂质的构建策略。相关研究结果最近发表在《Nature Communications》杂志上。这篇论文的标题是“用于mRNA治疗和基因编辑系统递送的可降解支状脂质的原位组合合成”。

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在本设计中，通过可降解的连接物将两条支尾原位添加到含有两条短体尾的低效氨基醇类脂质中，从而极大地促进了mRNA的传递。他们通过改变头基结构、短体尾长和分支尾长，系统地合成并筛选了两个DB脂质组合文库。研究发现，多种DB脂质可形成有效的LNP，用于在体内递送mRNA，其效率与经批准用于肝递送小干扰RNA (siRNA)的基线DLin-MC3-DMA (MC3) LNP制剂相当。此外，还确定了包括总碳数、对称性和头基在内的关键结构标准，这些标准可用于预测未知DB脂类的性质。

此外，与基于MC3 lnp的mRNA治疗相比，基于11-10-8 lnp的FGF21 mRNA治疗显示出更好的减肥和降脂效果。有趣的是，尽管11-10-8 LNPs比MC3 LNPs更有效地传递mRNA，但它们同样有效地传递siRNA。其他人也观察到类似的结果，优化的LNP配方使mRNA转染量增加了7倍，但siRNA转染量没有增加。据推测，siRNA比mRNA更容易受到LNPs的影响。尽管如此，与MC3 LNP相比，11-10-8 LNP易于合成且成本低，在siRNA传递方面仍具有优势。

这项新研究有一些局限性。首先，为了便于分析尾部区域的构效关系，在DB脂质组合文库1中仅使用饱和和线性环氧化物和酸性氯化物。值得一提的是，根据这些作者的构建方法，使用不饱和或支化的环氧化物和酸性氯化物也是可行的，这可以进一步增加DB类脂化合物的结构多样性。其次，为了简化头基团的构效关系分析，DB脂质组合库2只选择了能连接两个体尾的胺，而排除了能连接多个体尾的复合胺。第三，尽管与MC3 LNPs相比，他们合成的强效DB-LNPs在体内具有更强的mRNA递送能力，但其体外性能不如MC3 LNPs。体外和体内结果之间差异的原因目前尚不清楚。尽管如此，他们仍在进一步探索分支脂质，以了解它们在体内的有效性。

综上所述，作者设计了一种高通量、低成本合成DB类脂质的构建方法。通过组合合成和筛选这两个DB脂类组合文库，他们发现了多种有效的DB脂类化合物，并总结了影响药物疗效的关键结构标准。他们合成的铅DB脂质在肝脏mRNA传递方面优于MC3 LNPs，显示出它们在基于mRNA的蛋白质补充疗法和基因编辑疗法中的巨大潜力。因此，它们的构建方法降低了支链类脂质的合成门槛，为支链类脂质的进一步开发和应用奠定了基础。

参考：Han, Xuexiang, et al. "In situ combinatorial synthesis of degradable branched lipidoids for systemic delivery of mRNA therapeutics and gene editors." Nature Communications 15.1 (2024): 1762