IVIS视角丨助力药物研发：可穿越血脑屏障递送mRNA的脂质纳米颗粒

作者：Asper

来源：瑞孚迪生命科学

mRNA递送广泛的应用于疫苗、癌症治疗等各个疾病治疗方面，替代蛋白治疗成为了一种新兴的治疗方法，其优势有：1可人工体外合成mRNA使其可以在体内表达任意我们想要的蛋白，治疗多种疾病。2和DNA相比，mRNA只需进入胞质进行翻译即可产生蛋白，表达过后即降解，效率高且不存在基因整合的风险，安全性更好。3与直接打入蛋白相比，其构建简单，成本低，更易于工业化生产。
虽然mRNA递送有着诸多优点，但如何将其有效的递送到作用位点才是最大的难题，其载体的选择和递送效率息息相关。
脂质体纳米颗粒（LNP）作为新兴的药物递送载体被广泛的应用于各个方面，由于其结构与细胞膜结构类似，具有很好的生物相容性，通过在其表面进行靶向修饰，可以将其递送到全身各处。但是脂质体也有其局限性，它很难穿过血脑屏障将药物递送到大脑。

血脑屏障（BBB）由周细胞、星形胶质细胞突和围绕构成大脑血管供应的单层内皮细胞的基底膜组成，这种生理屏障选择性地阻止许多小分子、蛋白质和mRNA进入大脑。

而近期，一项来自于美国俄亥俄州立大学的研究，设计合成了72种通过偶联BBB交叉模块和氨基脂质构建的BBB交叉脂质，并将它们组装为纳米颗粒用于mRNA递送。相关研究结果发表在Nature Materials期刊上：

该纳米合成颗粒是基于以下分子特性进行改造：
L-DOPA可以被内皮细胞上的大中性氨基酸转运蛋白1识别，并跨BBB转运以治疗帕金森病；D-丝氨酸作为神经调节剂，通过氨基酸转运蛋白溶质载体家族6成员14穿过BBB；替莫唑胺是一种烷化亲脂性试剂，可穿过BBB治疗胶质母细胞瘤；色胺衍生物是神经递质前体，通过Mg的主动转运穿过BBB2+和ATP依赖性摄取；肉桂衍生物可以穿过BBB并插入淀粉样蛋白β蛋白的β折叠中41.MK-0752减少体内穿过BBB后淀粉样蛋白β的产生。
该研究将这些分子与各种氨基脂质偶联，设计并合成了六类BBB交叉脂质（BLs）。这些脂质可以促进mRNA穿过血脑屏障的脂质纳米颗粒（BLNP）的形成，并有效地将mRNA传递到中枢神经系统。

图1 BLNPs构建及其穿过屏障作用于神经细胞的机制
确认合成好脂质分子后，将装配含有萤火虫荧光素酶（FLuc）mRNA的BLNPs在体外进行递送实验，利用IVIS®设备和小动物活体成像的方法，评估了它们在小鼠神经母细胞瘤细胞系Neuro-2a（N2a）和小鼠脑内皮细胞系bEnd.3中的mRNA递送效率。在N2a细胞中，一系列BLNP的发光强度比DLin-MC3-DMA（MC3）LNP高五倍以上。特别是，CD6、TD5、TD8和MK6 BLNPs的发光强度比MC3 LNPs高10倍以上。

图2 体外N2a细胞中BLNP-FLuc mRNA的发光强度。
根据该项结果，研究者选出了12种效果最好的BLNPs进一步进行体内实验。在所有测试的BLNPs中，MK6 BLNPs在给药6小时后诱导的脑组织发光强度最高，远高于MC3LNPs，而其他器官中的荧光强度则没有太大差异。

图3 不同BLNP-FLuc-mRNA静脉注射后的大脑发光强度
为了通过全身给药进一步提高BLNPs的大脑递送效率，实验人员进行了进一步的MK6 BLNP制剂优化。通过调整MK6和mRNA之间的权重比，发现与原始MK6 BLNP相比，权重比为MK6/mRNA=12.5/1的MK6E BLNP的脑发光强度增加了两倍。

图4 静脉注射包裹了不同比率FLuc-mRNA的MK6 BLNPs的脑发光强度
除了调整配方比例外，研究人员还通过调整烷基链的长度和脂质尾部缩醛基团的位置来修饰MK6的化学结构，从而合成了MK13-MK16 BLs。MK16 BLNPs在静脉注射后在小鼠大脑中表现出最高的体内发光强度，比MK6E BLNPs高1.7倍，比MC3 LNPs高8.3倍。

图5 静脉注射MC3 LNP、MK6E BLNP或MK16 BLNP后脑的发光强度
在进一步实验确定了其安全性后，该研究进一步验证了其对于神经胶质母细胞瘤的治疗效果。

胶质母细胞瘤（GBM）是最具侵袭性和致命性的原发性脑肿瘤。由于其进展迅速且预后不良，确定有效的治疗靶点至关重要。GBM的肿瘤抑制基因，如磷酸酶和张力蛋白同源物（PTEN），通常会发生突变，使其治疗干预的有效靶点。

研究者利用Pten mRNA构建了MK16 BLNPs，并在人U-118MG GBM的原位模型中将该制剂静脉注射给荷瘤免疫缺陷小鼠。

图6 U-118MG GBM模型中的治疗方案示意图
与PBS组和荷载mCherry mRNA组相比，MK16 BLNP-Pten mRNA减少了肿瘤生长，从而延长了荷瘤小鼠的存活率。进一步说明该脂质纳米颗粒可以有效穿过血脑屏障递送药物，为神经胶质母细胞瘤的治疗提供了新方案。

图7 不同组处理的小鼠中原位GBM肿瘤组织的发光强度、IVIS图像及小鼠随时间变化的存活率
米颗粒