BEND脂质：通过分支结构增强内体逃逸实现高效mRNA递送和CRISPR-Cas9基因编辑

本研究针对mRNA药物递送中内体逃逸效率低的关键瓶颈，开发了具有末端分支结构的离子化脂质(BEND)。通过模块化合成策略构建的BEND脂质纳米颗粒(LNP)显著提升了肝脏mRNA翻译效率(达15倍)和T细胞转染效率(达10倍)，并首次实现CRISPR-Cas9核糖核蛋白复合体(RNP)的肝靶向递送。该研究为核酸药物递送系统设计提供了新范式。

　　

在生物医药领域，mRNA疗法被誉为"可编程药物"，自1961年mRNA发现以来，科学家们一直梦想着利用其编码任意蛋白质的能力治疗疾病。然而直到2020年新冠mRNA疫苗获批，这一梦想才真正实现——这漫长的60年等待，主要卡在了递送技术上。就像快递员需要把易碎的玻璃艺术品完好无损地送到客户手中，科学家也需要找到保护脆弱mRNA并准确投递到目标细胞的"包装系统"。目前最先进的递送工具脂质纳米颗粒(LNP)虽然已在疫苗中证明价值，但其核心组件——离子化脂质(IL)仍存在内体逃逸效率低的关键缺陷，导致大部分mRNA"包裹"困在细胞内的小泡中无法发挥作用。

美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院生物工程系的Michael J. Mitchell团队在《Nature Communications》发表的研究中，另辟蹊径地从脂质分子"发型设计"入手，开发出具有末端分支结构的BEND脂质。就像树枝分叉能更有效地刺破气泡膜，这些精心设计的分支结构显著增强了LNP突破内体屏障的能力。研究人员通过巧妙的"搭积木"式合成策略，仅用24小时就能构建包含异丙基、叔丁基等不同分支类型的脂质库，突破了传统脂质合成耗时费力的限制。

研究采用的关键技术包括：1) 铜催化的格氏偶联反应构建分支烯烃；2) 微流控芯片制备LNP；3) 双荧光标记人工内体模型评估膜破坏能力；4) 原子级分子动力学模拟；5) Ai9报告基因小鼠模型量化基因编辑效率；6) 流式细胞术分析T细胞转染。所有动物实验均遵循宾夕法尼亚大学IACUC规范。

【合成BEND脂质及LNP制备】

研究人员开发的三步合成法如同分子乐高：先通过Grignard反应在溴代烯烃末端"嫁接"分支基团，再经mCPBA氧化得到分支环氧化物，最后与多胺核心反应获得BEND脂质。这种模块化设计使12种分支脂质的合成能在一天内完成。制备的LNP粒径70-160nm，包封率>80%，pKa≈6.0，符合理想递送系统的理化特征。

【体内mRNA递送增效】

在0.1mg/kg剂量下，含异丙基分支的E4i-200 LNP使肝脏荧光素酶表达提升15倍，显著优于临床常用的C12-200和疫苗脂质SM-102。有趣的是，分支结构对递送的增强呈现"长度依赖性"：C8-C12链长时分支增效明显，而C14链反而略逊于线性对照。这种"黄金分割"现象为脂质设计提供了精准调控维度。

【基因编辑效率突破】

在转甲状腺素蛋白(TTR)介导的淀粉样变性小鼠模型中，BEND LNP装载的Cas9 RNP实现了55%的肝脏编辑效率，血清TTR水平降低60%。更令人振奋的是，分支结构改变了RNP的器官分布特征：传统DOTAP配方会导致肺积累，而E4s-200 LNP的肝/肺递送比提升至3:1，且特异性靶向肝实质细胞(>10%编辑率)。

【T细胞工程应用】

在临床级T细胞改造中，含异丙基的E10i-494 LNP转染效率达80%，是金标准C14-494的2倍。共聚焦显微镜显示其mRNA内体逃逸率提高20%，印证了分支结构促进内体渗透的机制。这种高效转染无需电击，为CAR-T等细胞疗法提供了更温和的改造方案。

【机制揭示】

人工内体模型和分子动力学模拟揭示了分支结构的"膜扰动"机制：末端分支使脂质分子在酸性环境下形成锥形构象，其垂直膜穿透深度比线性对照多0.5nm。这种"分子鱼叉"效应通过破坏内体膜脂质有序排列促进mRNA逃逸，而与ApoE介导的肝靶向等上游过程无关。

这项研究突破了传统脂质设计的思维局限，证明分子末端的"发型设计"能显著提升递送效率。BEND平台的双重优势——既能增强内体逃逸又不影响靶向性，为mRNA疫苗、基因编辑和细胞治疗提供了通用型解决方案。特别值得注意的是，该研究首次实现了RNP的器官选择性递送，解决了CRISPR疗法中脱靶编辑的难题。这些设计原则已申请专利保护，其模块化合成策略更可扩展至其他胺核结构，为下一代核酸药物递送系统开发指明了方向。