脂质纳米颗粒在基因治疗中的光明未来

本文节选自来自美国麻省药学与健康科学大学副教授和药物科学项目主任Hongwei Zhang发表的评论文章《A bright future for lipid nanoparticles in gene therapy》。由于水平有限，详细内容，请参考原文。

脂质纳米颗粒（LNP）在COVID-19 mRNA疫苗中的使用再次引起了人们对其作为基因传递载体的关注。但是它们在基因治疗中有什么用途呢?挑战依然存在，但我相信，LNP在该领域有着光明的未来。

我很幸运能在基因治疗领域开始我的研究生培训，并加入了一个研究转移性肺癌治疗方法的小组。我们使用脂质载体递送编码肿瘤抑制基因的质粒DNA （pDNA)，我的目标之一是使递送系统的毒性最小化。

为了实现这一目标，我们将pDNA整合进了两种不同类型的LNP：稳定的脂质- DNA纳米颗粒和脂质-鱼精蛋白- DNA纳米颗粒，这两种纳米颗粒在动物模型中均能显著抑制肿瘤生长并延长存活时间。这使我很早就认识到了递送载体对于基因治疗成功性的重要作用，并激发了我在20年职业生涯中持续存在的兴趣。

经过数年对多种基因治疗递送系统的研究，我在马萨诸塞州药学院建立了自己的实验室，在那里我们研究基于反义寡核苷酸、RNAi和CRISPR的基因治疗递送技术。我们致力于一系列病毒和非病毒载体的研究，包括开启了我职业生涯的LNP。

脂质纳米颗粒简史

用于基因治疗的LNP通常是由离子化阳离子脂质、磷脂、胆固醇和聚乙二醇脂质组成的纳米颗粒，中央为一个固体或油性内核，而粒径较小的传统单层脂质体的典型特征是表面有脂质双层，颗粒中央为一个水性“池”。由于脂质体在很早之前已被监管机构批准并用于临床小分子药物，它们很快被基因治疗先驱确定为一种潜在的递送载体。从脂质体给药中获得的知识和经验显著加速了基因、RNAi、mRNA和CRISPR给药LNP的发展。

早在20世纪80年代，就有报道表明，阳离子脂质体能够有效介导体外质粒转染。在20世纪90年代和21世纪初，LNP在介导pDNA转基因表达和siRNA介导的体内RNAi方面表现出了显著的效果，致使将LNP用于基因治疗的研究不断上升。2018年，FDA批准了基于LNP的patisiran (Onpattro®)，用于治疗遗传性甲状腺素运载蛋白介导的淀粉样变性(hTTR)，巩固了LNP在该领域的作用。最近，mRNA治疗成为一个热门领域，辉瑞和Moderna基于LNP的mRNA疫苗在抗击COVID-19中发挥了关键作用。

在基因组编辑治疗领域，LNP在2010年代开始显示出其潜力，为在动物模型中进行的体内基因组编辑递送CRISPR成分。去年，在Intellia Therapeutics进行的一项临床试验中，第一位hTTR患者接受了基于LNP的CRISPR基因组编辑治疗。

为什么选择LNP？

LNP拥有悠久的历史以及低毒性和低免疫原性特点，且行业在脂质体大规模生产方面拥有丰富的经验，使LNP对于基因治疗领域来说有很大的吸引力。

LNP可以递送不同的物质，包括pDNA、mRNA、siRNA和蛋白质。这使得它们对于基于CRISPR的治疗来说特别方便，因为它们可以在一个载体中递送CRISPR的不同成分，包括编码Cas核酸酶的mRNA或pDNA、引导RNA、甚至是针对基于同源定向修复的基因组编辑治疗的DNA供体模板。 

此外，LNP的颗粒大小、表面性质、成分和组成可以很容易地进行调节，以减少毒性，调整或优化组织向性。

面临的挑战

LNP平台当然非常有前景，但仍存在几个主要的挑战。首先，当前LNP静脉注射会导致与输液相关的反应。由于这个原因，patisiran通常在抗组胺、对乙酰氨基酚和地塞米松的组合给药后注射。为了将基于LNP的基因疗法扩展到其它疾病，必须解决这个问题。

其次，目前LNP的靶组织主要局限于肝脏。静脉注射后，80-90%的LNP最终进入肝脏，最终通过低密度脂蛋白(LDL)受体被肝细胞吸收。一个巨大的挑战是如何“引导”LNP在系统给药后绕过肝脏，并有效地将它们的基因治疗载荷运送到非肝脏组织。

第三个挑战是功能性脂质以及LNP的大规模生产。到目前为止，生产功能性脂质和LNP的公司数量仍然非常有限。事实上，人类历史上唯一大规模生产的LNP就是用于COVID-19疫苗的生产。

基因治疗的下一步是什么?

在辉瑞和ModernaCOVID-19疫苗取得成功后，我预计将看到更多基于LNP的mRNA疫苗进入市场，包括诸如肿瘤等其它疾病领域。此外，为了更安全的静脉注射，需要新的离子化阳离子脂质。此外，LNP的优化设计对于通过全身递送以靶向非肝组织至关重要。

从更广阔的角度来看，无论是病毒载体还是非病毒载体平台都将不断成熟，每个平台都将在各自的专业领域为基因治疗做出贡献。例如，基于DNA的基因治疗，如基因替代或基因添加治疗，需要将DNA送入细胞核，因此，腺相关病毒(AAV)载体将继续主导这一特殊应用。然而，基于mRNA的治疗方法只需要递送到细胞质中，所以非病毒载体，特别是LNP，可能会发挥更大的作用。

如上所述，LNP还擅长在体内递送复杂的物质，如基于CRISPR Cas的基因组编辑治疗的各种元件。在这种应用中，LNP有一个额外的优势，即允许Cas酶的瞬时表达，这对于降低脱靶效应来说是理想的选择，而AAV介导Cas核酸酶的长期表达。

如果递送技术继续改进，我预计体内基因疗法会越来越多，在某些情况下会取代体外疗法。如果体内递送足够准确，足够安全，足够有效，那么对体外方法的需求自然就会下降。

最终，病毒治疗和非病毒治疗都将在未来的基因治疗中占有一席之地。为了选择正确的递送平台，我们需要考虑疾病状态、疾病的生理和病理生理条件、给药途径、治疗效果以及预期的作用时间。

原文：H.Zhang, A bright future for lipid nanoparticles in gene therapy. Cell & Gene Therapy Insights 2021; 7(6), 755–758.