脂質納米顆粒(LNP)在mRNA疫苗開發及基因編輯等更廣領域應用前景分析
COVID-19大流行引發了前所未有的資源動員，用以尋找治療和預防SARS-CoV-2感染的方法。mRNA技術在COVID-19疫苗競賽中得到迅速采用，無疑已經證明了其價值。
在COVID-19出現不到一年的時間里，一種基于mRNA技術的全新疫苗獲批緊急使用授權。數十億劑Moderna和Pfizer/BioNTech的mRNA疫苗在全球眾多國家和地區得到使用，挽救了數百萬人的生命。
在大流行期間，研發人員已經取得了許多經驗、教訓和突破，這將提高未來對疾病暴發的準備和響應能力。Moderna主辦的“Understanding COVID-19 to prepare for the next pandemic”主題會議，于2022年4月舉行，會議匯集了眾多傳染病診斷、監測、疫苗開發和治療方面的專家。
挑戰與學習
在會議期間，專家們討論了現有的挑戰以及如何對未來大流行做出更迅速、更集中的反應。與會者一致認為，疫苗和收集其相關影響的真實證據對于結束大流行的“急性”階段至關重要，在該階段，疫苗被繼續授予緊急使用授權。希望人類現在正走向下一個流行階段：隨著病毒的繼續傳播，由其引發的重癥現象減少。
在Moderna主辦的會議上，來自Moderna公司的兩位專家——Jacqueline Miller,高級副總裁、傳染病及治療領域負責人; Paul Burton，首席醫療官保羅·伯頓，就Moderna公司迅速擴大的開發管線以及真實世界的醫療證據在為公共衛生政策和疫苗開發提供信息方面的核心作用發表了演講。
mRNA COVID-19疫苗的成功正在加速許多其他mRNA疫苗的臨床開發，不僅針對SARS-CoV-2，還針對其他呼吸道病原體，如流感和呼吸道合胞病毒（RSV）。
Miller還解釋了如何在實驗室中從DNA模板快速生產mRNA疫苗的能力；志愿者參與臨床試驗的真實想法；以及國家衛生和監管機構的支持；這些都有助于Moderna能夠開展大規模臨床試驗，涉及了30，000多人。這些因素共同推動了其首個COVID-19疫苗于2020年和2021年在世界許多地方獲得使用批準。
與傳統的減毒、滅活病毒或特定病毒蛋白的疫苗不同的是：Moderna的mRNA疫苗攜帶轉譯S蛋白的mRNA，通過利用宿主細胞的核糖體產生SARS-CoV-2的刺突蛋白。通過將這些蛋白質呈遞到細胞表面，進而觸發免疫反應，預防可能的COVID-19感染。
在COVID-19大流行期間，真實世界證據的收集經歷了一場革命。 在常規臨床實踐中，快速可靠地采集數據的創新方法，在受控臨床試驗的背景下，使得專家們能夠實時評估疫苗的安全性和有效性，并迅速決定是否需要加強劑量或改變疫苗配方。
mRNA疫苗技術在亞太地區蓬勃發展
mRNA技術的引領者Moderna計劃開發和制造針對許多疾病的mRNA疫苗和治療方法。其日本子公司的總裁拉米·鈴木（Rami Suzuki）解釋了如何通過擴大其在亞洲的業務幫助實現這些目標。
隨著許多國家采取了新冠群體免疫戰略，并取消眾多健康限制，世衛組織警告說，全球復蘇的前提是世界上70%的人口接種疫苗。
解決健康挑戰
Moderna在澳大利亞、韓國和日本設有辦事處。宣布在香港，馬來西亞，新加坡和臺灣開設新的子公司，將有助于利用其mRNA疫苗平臺解決亞太地區的健康挑戰。
LNP的應用前景
脂質納米顆粒（LNP）將小分子輸送到體內的載體。最有名的經LNP遞送成功的API就是是mRNA，針對COVID-19的兩款mRNA疫苗便是使用的mRNA-LNP的組合。但這只是LNP的一種應用：LNP還可以攜帶許多不同類型的有效載荷，并實現疫苗以外的應用。
Barbara Mui自1990年在Pieter Cullis課題組讀博至今，一直在研究LNP及其前身Liposome。
Mui目前是Acuitas的高級科學家，該公司開發了BioNTech-Pfizer聯合開發的mRNA新冠疫苗中所用的LNP脂質。Mui說：“早期，LNP用于封裝抗癌藥物，但隨著研究的深入，LNP作為核苷酸的遞送載體，效果更好。當然，第一個取得非常好效果的LNP藥物，是用于封裝siRNA的。”
但事實證明，mRNA是最有效的載荷。LNP由帶正電荷的脂質納米顆粒組成，這些顆粒封裝帶負電荷的mRNA。一旦進入體內，LNP通過內吞作用進入細胞，在完成內涵體逃逸后，釋放到細胞質中。“如果沒有專門設計的化學物質，LNP和mRNA將在內涵體中被降解，”卡內基梅隆大學，化學工程和生物醫學工程系教授Kathryn Whitehead說。
LNP是mRNA的理想遞送系統。“新冠疫情加速了人們對LNP的接受和認知，人們對它們更感興趣了，”Mui說。下一個可能是針對艾滋病毒或瘧疾等其他傳染病或癌癥等非傳染性疾病的LNP-mRNA疫苗。而且LNP的遞送潛力并不止于mRNA，還有更大的空間來調整LNP來運輸不同類型的載荷。但為了實現這些潛在的好處，研究人員首先需要克服挑戰并降低毒性，提高他們從內涵體中逃逸的能力，增加他們的熱穩定性，并研究如何有效地將LNP靶向全身器官。
超越mRNA
眾所周知，LNP是遞送mRNA最有效的載體之一，目前也是被人廣泛研究。然后除了mRNA，LNP還可以在其他領域發揮作用。
基因編輯
“該領域目前最令人興奮的方向是基因編輯，”EnterX Bio的科學家Yulia Eygeris說，EnterX Bio是一家由Eygeris的博士后主管Gaurav Sahay于2021年創立的公司，旨在將LNP研究商業化。
LNP可以攜帶Cas9 mRNA等基因編輯機制或引導RNA進入細胞。這為LNPs提供了用作基因治療遞送系統的能力。目前，臨床試驗中有一種基于LNP的CRISPR-Cas9候選治療雜合子家族性高膽固醇血癥患者，其靶向肝臟中的PCSK9基因。其他基因治療的可能性可能包括操縱囊性纖維化患者的CFTR基因，或用于治療罕見的遺傳疾病。
免疫療法
LNP的另一個潛在應用是免疫療法。對淋巴細胞（如T細胞或NK細胞）進行基因修飾，并且經過證明，對血癌是有用的。通常，該過程涉及從接受治療的人的血液中提取淋巴細胞，編輯培養中的細胞以表達CAR，然后將其重新引入血液中。然而，LNP可以通過將CAR mRNA遞送到靶淋巴細胞上，在體內表達所需的CAR。Mui參與了一項體內研究，表明在這一過程，LNP-mRNA在小鼠T細胞中發揮了作用（Rurik，J.G.et al，Science 375，91-96，2022）。ProMab Biotechnologies研發副總裁Vita Golubovskaya在CAR-TCR峰會上展示了關于將CAR-mRNA引導到NK細胞然后可以殺死靶細胞的LNP的初步數據。“RNA-LNP是一種非常令人興奮和新穎的技術，可用于遞送針對癌癥的CAR和雙特異性抗體，”她說。
siRNA
LNP還可以攜帶小的干擾RNA（siRNA），例如在patisiran中，這是FDA批準的第一種siRNA藥物，它使用LNPs遞送siRNA來對抗稱為甲狀腺素轉運蛋白的錯誤折疊。通過抑制轉甲狀腺素蛋白的產生來治療淀粉樣變性。
LNP仍然需要進行大量的研究，以在其所有不同的角色中充當最佳載體。主要挑戰之一是基因治療和其他常規治療相比疫苗，需要更高的劑量或更多的治療。在這些較高劑量下，LNPs會導致細胞毒性反應，因此降低LNPs的毒性是研究中的重中之重。
降低毒性，提高功效
有不同的方法可以使LNP治療的毒性降低。一種是通過研究脂質如何影響毒性。
“如果脂質完全可降解，就有解決方案，”特拉維夫大學納米醫學實驗室主任Dan Peer說。在遞送完API之后，徘徊在細胞中的脂質比那些降解掉的脂質更有可能激活免疫反應。Peer一直在開發一系列新的脂質，并授權給他的公司NeoVac，這些脂質顯示出更高的生物降解性和更低的免疫原性，以及其他特征。“我們相信，含有較少的免疫原性的脂質將更適合于治療性LNP藥物的開發。并且有助于LNP更有效地遞送載荷”。目前阻礙遞送效率的障礙之一是：當LNP被細胞吸收后，沒有完全釋放到細胞質前，它們往往會被困在內涵體中。“改善的內體逃逸對于未來幾代LNP來說，將是一件大事，因為目前的LNP估計只有不到5%，能完成內涵體逃逸，” Whitehead說。更多的逃逸將允許使用較低劑量的LNP，從而減少可能的細胞毒性副作用。
靶向正確的器官
擴大LNP用途的另一個關鍵挑戰是找到可以使它們到達身體不同部位的方法。LNPs天然靶向到肝臟，但對于靶向基因治療等應用，有必要將它們引導到其他器官，如肺，腎或大腦。“有一種內在的需要，即繞過每個器官特有的障礙，”Eygeris說。這意味著需要防止LNP在肝臟的積聚的同時，也要將LNP引導到特定位置。例如，他們需要穿過血腦屏障才能在大腦中發揮作用。
究竟如何更好地將LNP引導到其所需的靶點，并不是一個簡單的問題。“不同的人正在嘗試不同的方式，沒有人有明確的答案，”Mui說。一些小組正在研究LNP中的脂質如何影響對不同器官的靶向，而另一些研究小組正在探索，將靶向配體添加到LNP表面以幫助它們與特定細胞結合的作用。
Eygeris說，尋找新的LNP是一個非常活躍的研究領域。“這就是每個人現在都在做的事情，”她說。“如果你有一些東西或方法能夠繞過肝臟進入任何其他器官，如肺或脾臟，那么這就會大大增加你的治療潛力。
熱穩定性
與此同時，Peer還專注于提高納米顆粒的熱穩定性。廣泛交付的LNP-mRNA COVID-19疫苗的一個障礙是：需要將其儲存在非常低的溫度下；而熱穩定好的LNPs有可能保持在室溫下。Peer的小組仍在測試他們開發的熱穩定脂質，他希望他們能夠將mRNA疫苗提供給更多國家，特別是在南半球。“熱穩定配方對于改變mRNA疫苗和治療方法的格局至關重要，不管你有沒有冰柜，你都可以獲得LNP-mRNA疫苗”Peer說。
Peer對大流行之后，基于LNP的治療持樂觀態度，盡管他指出還有很多工作要做。“但是，在新冠疫情期間，我們學到了很多東西，現在是時候進入下一個級別了。”Peer說。
在COVID-19出現不到一年的時間里，一種基于mRNA技術的全新疫苗獲批緊急使用授權。數十億劑Moderna和Pfizer/BioNTech的mRNA疫苗在全球眾多國家和地區得到使用，挽救了數百萬人的生命。
在大流行期間，研發人員已經取得了許多經驗、教訓和突破，這將提高未來對疾病暴發的準備和響應能力。Moderna主辦的“Understanding COVID-19 to prepare for the next pandemic”主題會議，于2022年4月舉行，會議匯集了眾多傳染病診斷、監測、疫苗開發和治療方面的專家。
挑戰與學習
在會議期間，專家們討論了現有的挑戰以及如何對未來大流行做出更迅速、更集中的反應。與會者一致認為，疫苗和收集其相關影響的真實證據對于結束大流行的“急性”階段至關重要，在該階段，疫苗被繼續授予緊急使用授權。希望人類現在正走向下一個流行階段：隨著病毒的繼續傳播，由其引發的重癥現象減少。
在Moderna主辦的會議上，來自Moderna公司的兩位專家——Jacqueline Miller,高級副總裁、傳染病及治療領域負責人; Paul Burton，首席醫療官保羅·伯頓，就Moderna公司迅速擴大的開發管線以及真實世界的醫療證據在為公共衛生政策和疫苗開發提供信息方面的核心作用發表了演講。
mRNA COVID-19疫苗的成功正在加速許多其他mRNA疫苗的臨床開發，不僅針對SARS-CoV-2，還針對其他呼吸道病原體，如流感和呼吸道合胞病毒（RSV）。
Miller還解釋了如何在實驗室中從DNA模板快速生產mRNA疫苗的能力；志愿者參與臨床試驗的真實想法；以及國家衛生和監管機構的支持；這些都有助于Moderna能夠開展大規模臨床試驗，涉及了30，000多人。這些因素共同推動了其首個COVID-19疫苗于2020年和2021年在世界許多地方獲得使用批準。
與傳統的減毒、滅活病毒或特定病毒蛋白的疫苗不同的是：Moderna的mRNA疫苗攜帶轉譯S蛋白的mRNA，通過利用宿主細胞的核糖體產生SARS-CoV-2的刺突蛋白。通過將這些蛋白質呈遞到細胞表面，進而觸發免疫反應，預防可能的COVID-19感染。
在COVID-19大流行期間，真實世界證據的收集經歷了一場革命。 在常規臨床實踐中，快速可靠地采集數據的創新方法，在受控臨床試驗的背景下，使得專家們能夠實時評估疫苗的安全性和有效性，并迅速決定是否需要加強劑量或改變疫苗配方。
mRNA疫苗技術在亞太地區蓬勃發展
mRNA技術的引領者Moderna計劃開發和制造針對許多疾病的mRNA疫苗和治療方法。其日本子公司的總裁拉米·鈴木（Rami Suzuki）解釋了如何通過擴大其在亞洲的業務幫助實現這些目標。
隨著許多國家采取了新冠群體免疫戰略，并取消眾多健康限制，世衛組織警告說，全球復蘇的前提是世界上70%的人口接種疫苗。
解決健康挑戰
Moderna在澳大利亞、韓國和日本設有辦事處。宣布在香港，馬來西亞，新加坡和臺灣開設新的子公司，將有助于利用其mRNA疫苗平臺解決亞太地區的健康挑戰。
LNP的應用前景
脂質納米顆粒（LNP）將小分子輸送到體內的載體。最有名的經LNP遞送成功的API就是是mRNA，針對COVID-19的兩款mRNA疫苗便是使用的mRNA-LNP的組合。但這只是LNP的一種應用：LNP還可以攜帶許多不同類型的有效載荷，并實現疫苗以外的應用。
Barbara Mui自1990年在Pieter Cullis課題組讀博至今，一直在研究LNP及其前身Liposome。
Mui目前是Acuitas的高級科學家，該公司開發了BioNTech-Pfizer聯合開發的mRNA新冠疫苗中所用的LNP脂質。Mui說：“早期，LNP用于封裝抗癌藥物，但隨著研究的深入，LNP作為核苷酸的遞送載體，效果更好。當然，第一個取得非常好效果的LNP藥物，是用于封裝siRNA的。”
但事實證明，mRNA是最有效的載荷。LNP由帶正電荷的脂質納米顆粒組成，這些顆粒封裝帶負電荷的mRNA。一旦進入體內，LNP通過內吞作用進入細胞，在完成內涵體逃逸后，釋放到細胞質中。“如果沒有專門設計的化學物質，LNP和mRNA將在內涵體中被降解，”卡內基梅隆大學，化學工程和生物醫學工程系教授Kathryn Whitehead說。
LNP是mRNA的理想遞送系統。“新冠疫情加速了人們對LNP的接受和認知，人們對它們更感興趣了，”Mui說。下一個可能是針對艾滋病毒或瘧疾等其他傳染病或癌癥等非傳染性疾病的LNP-mRNA疫苗。而且LNP的遞送潛力并不止于mRNA，還有更大的空間來調整LNP來運輸不同類型的載荷。但為了實現這些潛在的好處，研究人員首先需要克服挑戰并降低毒性，提高他們從內涵體中逃逸的能力，增加他們的熱穩定性，并研究如何有效地將LNP靶向全身器官。
超越mRNA
眾所周知，LNP是遞送mRNA最有效的載體之一，目前也是被人廣泛研究。然后除了mRNA，LNP還可以在其他領域發揮作用。
基因編輯
“該領域目前最令人興奮的方向是基因編輯，”EnterX Bio的科學家Yulia Eygeris說，EnterX Bio是一家由Eygeris的博士后主管Gaurav Sahay于2021年創立的公司，旨在將LNP研究商業化。
LNP可以攜帶Cas9 mRNA等基因編輯機制或引導RNA進入細胞。這為LNPs提供了用作基因治療遞送系統的能力。目前，臨床試驗中有一種基于LNP的CRISPR-Cas9候選治療雜合子家族性高膽固醇血癥患者，其靶向肝臟中的PCSK9基因。其他基因治療的可能性可能包括操縱囊性纖維化患者的CFTR基因，或用于治療罕見的遺傳疾病。
免疫療法
LNP的另一個潛在應用是免疫療法。對淋巴細胞（如T細胞或NK細胞）進行基因修飾，并且經過證明，對血癌是有用的。通常，該過程涉及從接受治療的人的血液中提取淋巴細胞，編輯培養中的細胞以表達CAR，然后將其重新引入血液中。然而，LNP可以通過將CAR mRNA遞送到靶淋巴細胞上，在體內表達所需的CAR。Mui參與了一項體內研究，表明在這一過程，LNP-mRNA在小鼠T細胞中發揮了作用（Rurik，J.G.et al，Science 375，91-96，2022）。ProMab Biotechnologies研發副總裁Vita Golubovskaya在CAR-TCR峰會上展示了關于將CAR-mRNA引導到NK細胞然后可以殺死靶細胞的LNP的初步數據。“RNA-LNP是一種非常令人興奮和新穎的技術，可用于遞送針對癌癥的CAR和雙特異性抗體，”她說。
siRNA
LNP還可以攜帶小的干擾RNA（siRNA），例如在patisiran中，這是FDA批準的第一種siRNA藥物，它使用LNPs遞送siRNA來對抗稱為甲狀腺素轉運蛋白的錯誤折疊。通過抑制轉甲狀腺素蛋白的產生來治療淀粉樣變性。
LNP仍然需要進行大量的研究，以在其所有不同的角色中充當最佳載體。主要挑戰之一是基因治療和其他常規治療相比疫苗，需要更高的劑量或更多的治療。在這些較高劑量下，LNPs會導致細胞毒性反應，因此降低LNPs的毒性是研究中的重中之重。
降低毒性，提高功效
有不同的方法可以使LNP治療的毒性降低。一種是通過研究脂質如何影響毒性。
“如果脂質完全可降解，就有解決方案，”特拉維夫大學納米醫學實驗室主任Dan Peer說。在遞送完API之后，徘徊在細胞中的脂質比那些降解掉的脂質更有可能激活免疫反應。Peer一直在開發一系列新的脂質，并授權給他的公司NeoVac，這些脂質顯示出更高的生物降解性和更低的免疫原性，以及其他特征。“我們相信，含有較少的免疫原性的脂質將更適合于治療性LNP藥物的開發。并且有助于LNP更有效地遞送載荷”。目前阻礙遞送效率的障礙之一是：當LNP被細胞吸收后，沒有完全釋放到細胞質前，它們往往會被困在內涵體中。“改善的內體逃逸對于未來幾代LNP來說，將是一件大事，因為目前的LNP估計只有不到5%，能完成內涵體逃逸，” Whitehead說。更多的逃逸將允許使用較低劑量的LNP，從而減少可能的細胞毒性副作用。
靶向正確的器官
擴大LNP用途的另一個關鍵挑戰是找到可以使它們到達身體不同部位的方法。LNPs天然靶向到肝臟，但對于靶向基因治療等應用，有必要將它們引導到其他器官，如肺，腎或大腦。“有一種內在的需要，即繞過每個器官特有的障礙，”Eygeris說。這意味著需要防止LNP在肝臟的積聚的同時，也要將LNP引導到特定位置。例如，他們需要穿過血腦屏障才能在大腦中發揮作用。
究竟如何更好地將LNP引導到其所需的靶點，并不是一個簡單的問題。“不同的人正在嘗試不同的方式，沒有人有明確的答案，”Mui說。一些小組正在研究LNP中的脂質如何影響對不同器官的靶向，而另一些研究小組正在探索，將靶向配體添加到LNP表面以幫助它們與特定細胞結合的作用。
Eygeris說，尋找新的LNP是一個非常活躍的研究領域。“這就是每個人現在都在做的事情，”她說。“如果你有一些東西或方法能夠繞過肝臟進入任何其他器官，如肺或脾臟，那么這就會大大增加你的治療潛力。
熱穩定性
與此同時，Peer還專注于提高納米顆粒的熱穩定性。廣泛交付的LNP-mRNA COVID-19疫苗的一個障礙是：需要將其儲存在非常低的溫度下；而熱穩定好的LNPs有可能保持在室溫下。Peer的小組仍在測試他們開發的熱穩定脂質，他希望他們能夠將mRNA疫苗提供給更多國家，特別是在南半球。“熱穩定配方對于改變mRNA疫苗和治療方法的格局至關重要，不管你有沒有冰柜，你都可以獲得LNP-mRNA疫苗”Peer說。
Peer對大流行之后，基于LNP的治療持樂觀態度，盡管他指出還有很多工作要做。“但是，在新冠疫情期間，我們學到了很多東西，現在是時候進入下一個級別了。”Peer說。
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