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長春應化所陳學思/宋萬通團隊《Mater. Horiz.》：基于聚氨基酸的脾靶向遞送mRNA的磷脂酰聚合物文庫
2024-04-03  來源：高分子科技


  由于mRNA的固有缺陷，建立穩(wěn)定、有效和安全的遞送系統(tǒng)對mRNA技術的應用至關重要。目前已有的遞送系統(tǒng)中，脂質(zhì)納米顆粒(LNPs)處于臨床轉(zhuǎn)化的最前沿。然而，LNP也同時存在著高炎性反應和難以實現(xiàn)非肝組織遞送等不足。相比之下，基于聚合物的mRNA遞送系統(tǒng)具有靈活的化學結構和易于功能化的優(yōu)勢，表現(xiàn)出極大的應用潛力。但由于目前的聚合物遞送系統(tǒng)存在細胞毒性大和轉(zhuǎn)染效率低等阻礙，因此亟需進一步改進。


  磷脂是生物膜和細胞器的關鍵成分，在細胞運輸途徑中起著重要作用。它們可以整合到天然生物膜中來增強材料的內(nèi)涵體逃逸，從而克服當前納米載體的限制。得益于聚合物靈活的化學結構，將磷脂與聚合物結合得到的磷脂酰聚合物可以利用這兩種物質(zhì)的雙重優(yōu)勢。磷脂尾部賦予了聚合物優(yōu)異的膜穿透能力，而陽離子聚合物經(jīng)磷脂；笊锇踩缘靡蕴嵘。不僅如此，聚合物材料的親疏水性、pKa值等理化參數(shù)也可以靈活調(diào)整，以滿足實際需求。


  近日，中國科學院長春應用化學研究所陳學思/宋萬通研究員團隊以此為基礎，報道了一種基于聚谷氨酸的磷脂酰聚合物文庫用于mRNA遞送。接枝環(huán)氧基團的聚谷氨酸首先通過開環(huán)反應與各類胺發(fā)生反應，使其轉(zhuǎn)化為陽離子聚合物。隨后，通過陽離子聚合物與烷基化二氧磷烷分子(PLs)的組合反應，將磷脂引入聚氨基酸側(cè)鏈，得到最終的磷脂酰聚合物文庫(PLG-PPs)。 


圖1. PLG-PPs文庫的聚合物設計和化學合成路線。


  通過不同的磷脂分子與胺的分步偶聯(lián)，作者制備了多樣化和差異化的聚合物文庫用于后續(xù)篩選，并通過調(diào)整文庫中磷脂酰材料的化學結構，調(diào)控文庫材料的不同理化性質(zhì)。在對文庫材料的前期篩選中作者觀察到，一些磷脂酰化聚合物與其對應的親本陽離子聚合物相比，mRNA轉(zhuǎn)染效率顯著提高。其中體外轉(zhuǎn)染性能最好的PA8-PL3，轉(zhuǎn)染效果比親本材料提高了14716倍。此外，與未修飾的親本材料相比，PLG-PPs材料的生物相容性也得到增強。值得注意的是，雖然磷脂的引入提高了聚合物的轉(zhuǎn)染活性，但并不是在所有亞群中都觀察到這種現(xiàn)象。這表明磷脂酰聚合物的mRNA遞送效率不是由單一因素決定的。與那些表現(xiàn)不佳的PLG-PPs相比，性能良好的PLG-PPs具有恰到好處的pKa值。除pKa的影響外，合適長度的磷脂尾部的引入大大增強了PLG-PPs/mRNA復合物的細胞攝取和內(nèi)涵體逃逸能力。 


圖2. PLG-PP材料的體外篩選和驗證。


  隨后，作者評估了PLG-PPs靜脈注射后在體內(nèi)的生物分布行為。離體成像結果表明，4種被測物質(zhì)主要富集于肝、肺和脾（肝臟富集程度最高），其他臟器富集較少。然而，PLG-PPs/mRNA復合物的生物分布并不絕對等同于其體內(nèi)轉(zhuǎn)染情況。納米顆粒在肝臟中富集并不意味著PLG-PPs介導的mRNA傳遞是靶向肝臟的。因此，作者隨后對小鼠尾靜脈注射了優(yōu)選的PLG-PPs（PA8-PL1，PA8-PL2，PA8-PL3，PA8-PL4），并評估了其介導的體內(nèi)轉(zhuǎn)染效率。 


圖3. PLG-PPs/mRNA的體內(nèi)生物分布。


  盡管PA8-PL1和PA8-PL2在體外有效，但它們幾乎不可介導體內(nèi)轉(zhuǎn)染。相比之下，PA8-PL3在體內(nèi)的轉(zhuǎn)染效率最高。令人意外的是，它的體內(nèi)轉(zhuǎn)染偏向性與其生物分布結果不同，對脾臟有顯著的選擇性。該聚合物介導的脾臟蛋白表達量占主要臟器蛋白表達量的69.73%。相比之下，陽性對照LNP SM102的mRNA轉(zhuǎn)染效率雖然高于所有PLG-PPs，但其主要轉(zhuǎn)染肝臟組織。 


圖4. PLG-PPs/mRNA的體內(nèi)轉(zhuǎn)染表征。


  mRNA在體內(nèi)的選擇性遞送是一個復雜的過程，不同的參數(shù)都會對其選擇性和效率產(chǎn)生影響？紤]到PA8-PL3在生物分布試驗中并未在脾臟中有最高的富集，作者對其他可能的機制進行了研究。脾臟是最重要的免疫功能淋巴器官之一，它包含各種免疫細胞亞群，如樹突狀細胞、T細胞、B細胞和巨噬細胞。PLG-PPs/mRNA復合物的靶向性可能不是針對器官，而是針對脾臟中的某些特定細胞。流式細胞術分析顯示PA8-PL3/mRNA復合物對大多數(shù)典型免疫細胞都具有較好的轉(zhuǎn)染效果。脾臟對PLG-PPs/mRNA復合物的優(yōu)選攝取可能就歸功于脾臟中的特定細胞對復合物納米粒子的選擇性攝取。這種特異性攝取受到磷脂尾部長度的強烈影響。這可能是因為某些特定的磷脂結構幫助納米顆粒穿透細胞膜，使細胞更容易攝取。詳細的機制研究仍在進行中。 


圖5. PLG-PPs/mRNA的體內(nèi)轉(zhuǎn)染表征。


總結：


  這種基于磷脂-聚合物材料的mRNA遞送平臺引入了可調(diào)節(jié)的磷脂；鶊F，以增強納米顆粒的生物相容性，同時保持其mRNA的包封能力。引入的疏水磷脂尾部還增強了PLG-PPs的細胞攝取和細胞內(nèi)逃逸能力。令人鼓舞的是，經(jīng)靜脈給藥后，PLG-PPs導致脾臟中有效mRNA的選擇性表達，在未來的癌癥免疫治療和疫苗開發(fā)中顯示出巨大的潛力。本文描述的可擴展磷脂；椒ǹ梢詳U展到所有富含陽離子的聚氨基酸，為基于聚合物的mRNA治療的發(fā)展開辟新的途徑。
以上研究成果近期以“A polyamino acid-based phosphatidyl polymer library for in vivo mRNA delivery with spleen targeting ability”為題，發(fā)表在《Materials Horizons》上（DOI: 10.1039/d3mh02066e）。長春應用化學研究所博士研究生趙漢秦為文章的第一作者，宋萬通研究員和陳學思院士為論文的共同通訊作者。該工作得到科技部、國家自然科學基金委、吉林省科學技術廳、中國科學院青年創(chuàng)新促進會（宋萬通研究員為青促會第十批會員）等基金的支持。


  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh02066e

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（責任編輯：xu）
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