1、研究背景
使用脂质纳米颗粒（LNP）吸入传递信使RNA（mRNA）在治疗肺部疾病或作为黏膜疫苗方面具有巨大的前景。然而，雾化过程中LNP的解体和聚集导致的递送效果不理想是一个主要障碍。为了解决这一问题，我们开发了一种电荷辅助稳定化（CAS）技术，该技术可以将LNPs中的电荷辅助稳定化（CAS）技术应用于聚合物中，并将其应用于LNPs之间的相互排斥，以提高其胶体稳定性。通过使用肽-脂质偶联物优化表面电荷，领先的CAS-LNP在雾化过程中表现出卓越的稳定性，从而在小鼠，狗和猪中有效地传递肺mRNA。吸入CAS-LNP主要转染树突状细胞，触发强大的黏膜和全身免疫反应。我们证明了吸入CAS-LNP作为SARS-CoV-2 Omicron变体疫苗和抑制肺转移的癌症疫苗的有效性。我们的研究结果阐明了雾化LNPs的设计原则，为开发吸入式mRNA疫苗和治疗方法铺平了道路
论文标题：Charge-assisted stabilization of lipid nanoparticles enables inhaled mRNA delivery for mucosal vaccination
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53914-x
2、研究结果
结果1：表面负电荷CAS-LNP的制备
mRNA由于核苷酸单体上的磷酸二酯而富含负电荷，主要通过带正电的可电离脂质的静电吸引被包裹在LNPs内。因此，如果引入另一种带负电荷的脂质使LNPs表面带负电荷，则必须仔细考虑该脂质的基团电负性和亲水性。带负电荷的脂质可以与mRNA竞争与可电离脂质的结合，从而干扰mRNA的包封。此外，具有弱亲水性头基团的脂质可能难以分布到LNP表面。除了磷酸盐，羧酸是生物体中另一种常见的带负电荷的基团。磷酸二酯（~ 1.5）的pKa低于羧酸（~ 2-5）。因此，带正电的可电离脂质应该比羧酸对mRNA的磷酸基团有更强的亲和力。在不同来源的羧酸中，我们选择了具有高生物相容性和易于制备的氨基酸28。通过氨基酸序列的设计，可以有效地增强多肽的亲水性，调节多肽的电荷性质。通过将多肽连接到长烷基链脂质上，构建带负电荷的肽脂偶联物，可以稳定地结合在LNPs表面。基于此，我们将肽序列设计为天冬氨酸、丝氨酸、丝氨酸和半胱氨酸（DSSC），因为DSSC有一个半胱氨酸基团，易于与脂质结合，一条含天冬氨酸的羧酸侧链提供负电荷，以及两条不带电的亲水性丝氨酸，以提高肽-脂偶联物的亲水性，从而驱动其在LNP表面的存在。然后，我们使用DSSC合成了带负电荷的两亲性寡肽辅助脂质偶联物（图1b）。虽然LNP表面有PEG-脂质，但我们没有将DSSC与PEG-脂质偶联，因为在雾化过程中，PEG的数量会极大地影响LNP的稳定性。为了消除PEG对LNP29电荷辅助稳定性假设的影响，我们选择1,2-二油基-锡-甘油-3-磷酸乙醇胺（DOPE）偶联寡肽，因为已经证明DOPE主要存在于LNP29的外膜上。此外，用n -琥珀酰酰-3-（2吡啶二硫代）丙酸酯（SPDP）可以很容易地修饰DOPE的氨基，生成PDP-DOPE，随后与DSSC偶联。通过质谱（MS）、1H核磁共振（NMR）和紫外可见光谱（UV-Vis，补充图1-3）证实了PDP-DOPE和DSSC-DOPE的成功合成。
作者采用mRNA-1273 COVID-19疫苗中使用的LNP配方，其可电离脂质为庚烷-9-基8-（2-羟乙基）（6oxo-6-（十一烷基氧基）己基）氨基辛酸酯（SM-102），辅助脂质为1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸（dsc），胆固醇和1,2-二肉豆醇-乙酰甘油-3-甲氧基聚乙二醇-2000 (DMG-PEG2000)，摩尔比分别为50:10 . 38.5:1.5 (SM102-LNP)30。为了制备CAS-LNP，在微流控混合过程中，将等摩尔量的dsc - dope与编码萤火虫荧光酶（mFluc）的mRNA替换，将dsc - dope掺入SM102-LNP中。我们整合了不同量的DSSC-DOPE（按摩尔计占所有脂质的0.6%、2.5%和10%）来调节CAS-LNP的表面电荷（图1c）。动态光散射（DLS）测量表明，CAS-LNPs和SM102-LNP具有相似的水动力直径，范围在130 ~ 140 nm之间，尺寸分布较窄（图1d）。CAS-LNPs和SM102-LNP的mRNA包封效率均超过80%（图1e）。低温透射电镜（Cryo-TEM）图像描绘了2.5% CAS-LNP的球形形貌，具有实心核（图1f）。这些结果表明，DSSC-DOPE的掺入不影响LNP的组装和mRNA的整体包封。2.5% CAS-LNP的pKa与SM102-LNP相似（图1g）。2.5% CAS-LNP在37°C的PBS中保持胶体稳定性（补充图4）。ζ电位测量表明SM102-LNP具有接近中性的表面电荷（- 2.39 mV），与先前的发现一致31。随着DSSC-DOPE用量的增加，CAS-LNPs的表面电位逐渐下降（图1），证实了DSSC-DOPE在LNP外膜上的成功整合。齐电势数据还表明，DSSC的负电荷并没有完全被表面PEG屏蔽
结果2：吸入CAS-LNP的稳定性及mRNA递送效果
结果3：CAS-LNP提高给药效率的机制
为了探讨吸入CAS-LNP稳定性的提高是否由于其表面电荷，我们首先评估了CAS-LNP在不同盐浓度的PBS中雾化时的稳定性。盐的存在可以屏蔽LNPs之间的静电斥力，潜在地损害表面电荷带来的增强稳定性。正如预期的那样，所有CAS-LNPs在1倍PBS中表现出与SM102LNP几乎相同的稳定性，这表明在雾化过程中完全失去了电荷辅助稳定性（图2i）。然而，当我们逐渐降低盐浓度时，我们观察到与雾化后的SM102-LNP相比，完整cas - lnp的百分比逐渐大幅增加。然后，我们研究了SM102-LNP和2.5% CAS-LNP在0.1 ×和1 × PBS中对小鼠的吸入递送效果。SM102-LNP在两种溶液中的mRNA表达量均较低且相似，而2.5% CAS-LNP在0.1 × PBS溶液中表现出较强的肺部发光信号。小鼠和切除肺的定量分析显示，与0.1×PBS中的SM102LNP相比，0.1×PBS中2.5%的CAS-LNP的mRNA表达量分别提高了约5.5倍（图2k）和20.3倍（图2m）。然而，在1 × PBS中使用2.5% CAS-LNP时，mRNA的表达明显降低。综上所述，这些发现表明CAS-LNP在雾化过程中的胶体稳定性源于其表面电荷。2.5% CAS-LNP在低离子强度溶液中使用时，对吸入mRNA递送非常有效。因此，我们选择2.5%的CAS-LNP在0.1 × PBS中进行进一步研究，除非另有说明，否则将其称为CAS-LNP。为了验证DSSC必须携带羧基作为负电荷来源并具有足够的亲水性以呈现在LNP表面的设计原则，我们尝试了不同的带负电荷的分子，包括1,2-二油基-sn-甘油-3-磷酸（DOPA）（携带磷酸单酯，图3a）和十六烷酸（HA）（携带羧基，图3b）作为替代品。我们用等量的DOPA或HA代替CAS-LNP中的DSSC-DOPE，分别得到DOPA- lnp或HA- lnp。所有LNPs均成功合成，尺寸均匀（补充图14a）。然而，DOPA和HA均不能提高LNP雾化过程中的稳定性和雾化输送效率（图3d-f a和补充图14c）。具体来说，DOPA的使用减少了mRNA的包封，仅显示出轻微的表面电位下降（- 4.33 mV，图3c和补充图14b），这表明DOPA的磷酸单酯可能与mRNA竞争与可电离脂质的结合。另一方面，HA的掺入不影响mRNA的包封效果（Supplementary Fig. 14b）和LNP的表面电位（- 2.89 mV, Fig. 3c），这表明HA的羧基的亲水性不足以使其在LNP表面排列。因此，HA被纳入LNPs的核心，无法将表面电荷传递给LNPs。用DSSC肽修饰HA（图3b和补充图15）后，得到的HA-DSSC偶联物有效降低了HA-DSSC-LNP的表面电位（- 9.43 mV，图3c），显著增强了雾化过程中LNP的稳定性（图3d）和雾化后mRNA的表达（图3e， f和补充图14c）。这些结果强调了在选择负电荷分子时仔细设计的重要性，负电荷分子应具有理想的pKa和亲水性。为了进一步验证CAS策略，我们设计了三种肽-SSSC、DDSC和dddc -分别携带1、3和4个羧基（图3g）。SSSC、DSSC、DDSC和DDDC的等电点（pi）计算值分别为5.70、3.57、3.51和3.49（图3h）。这些多肽的pi值均低于5.7，表明在0.1 × PBS （pH = 7.4）中带负电荷。我们合成了SSSC-DOPE、DDSC-DOPE和DDDC-DOPE，并用它们代替DSSC-DOPE制备了SSSC-LNP、DDSC-LNP和DDDC-LNP
结果4：CAS是一种通用战略。吸入CAS-LNP穿透黏液层，转染免疫细胞。
为了评估CAS策略的普遍性，我们将CAS策略分别应用于用于治疗遗传性经甲状腺视黄醛介导的淀粉样变性（MC3-LNP）和BNT162b2 COVID-19疫苗（ALC0315-LNP）的其他临床LNP制剂。MC3-CAS-LNP和ALC0315-CAS-LNP是通过加入2.5%的DSSC-DOPE取代等摩尔量的dsc来制备的（补充图23a）。zeta电位测量（图4e）表明，MC3-LNP和ALC0315-LNP也具有接近中性的表面电荷（分别为- 3.99 mV和- 3.92 mV）， MC3-CAS-LNP和ALC0315-CAS-LNP的表面电位下降（- 11.33 mV和- 9.14 mV）。然后，我们评估了它们在雾化过程中的稳定性和随后在体内的mRNA递送效果。虽然MC3-LNP和ALC0315-LNP不适合雾化递送，但MC3-CAS-LNP和ALC0315-CAS-LNP在雾化过程中的稳定性（图4f）和mRNA表达比原始配方显著增强（图4g， h和补充图23b）。这些数据清楚地表明，CAS策略可以很容易地应用于其他LNP制剂，使其成为将原本不适合雾化输送的LNP转化为可吸入制剂的理想策略。此外，作者还比较了CAS-LNP与最近报道的吸入制剂的mRNA递送效果。
图23)。我们的研究结果表明，与T1-525、nld19和LNP2-236相比，CAS-LNP具有显著更高的mRNA递送效率。图23b， c)。值得注意的是，这些吸入制剂都利用了带正电荷的DOTAP脂质（T1-5中28%，NLD1中5%，LNP2-2中50%）。与可电离脂质的叔胺相比，DOTAP携带的季胺对mRNA具有更强的结合亲和力。因此，DOTAP主要存在于LNP内部。例如，使用10%或40% DOTAP（摩尔）的SORT LNPs的表面电位分别为~ 1.34和7.57 mV37。50% DOTAP的肺SORT LNP表面电位为- 0.89 mV38。这些结果表明，添加DOTAP不会给LNP带来表面电荷。DOTAP可能通过另一种尚未完全阐明的机制改善LNP的肺输送。
作者研究了CAS-LNP是否能有效地在大型动物中传递mRNA，这些动物的呼吸系统生理比小鼠更接近人类39,40。我们首先比较了吸入SM102-LNP和CAS-LNP后巴马小型猪mRNA的表达效率。猪在LNPs中雾化注射0.3 mg/kg mFluc。给药3小时后，腹腔注射荧光素，分离气管和肺，进行生物发光成像。如图4i所示，cas - lnp处理组的mFluc表达高于sm102 - lnp处理组。此外，我们证实CASLNP也可以成功转染Beagle犬的肺（图4j）。这些结果表明，CAS-LNP可以通过吸入有效地将mRNA传递给不同的物种，包括小鼠、狗和猪，这表明其具有进一步临床转化的巨大潜力。
结果5：吸入CAS-LNP诱导强烈的全身和黏膜免疫反应
为了评估CAS-LNP作为COVID-19吸入疫苗的潜力，我们合成了编码SARS-CoV-2 Omicron变体（mCOVID）刺突蛋白的mRNA，并将其封装到CAS-LNP或SM102-LNP中。然后将这些LNPs雾化、收集，并在第0、14和28天通过口咽滴入雌性C57BL6小鼠，每次剂量含有5µg的C o V I D p（图6a）。以吸入PBS的小鼠为对照。
随后，我们分离血清、支气管肺泡灌洗液（BALF）和肺组织，分析第三次免疫后一周的全身和黏膜免疫反应。我们首先用酶联免疫吸附试验（ELISA）检测血清中抗原特异性总IgG抗体。与SM102-LNP相比，CAS-LNP诱导的总IgG应答更高（图6b和补充图32）。然后，我们使用基于Omicron假病毒的测定分析了血清的中和能力。值得注意的是，与接受SM102-LNP和PBS治疗的小鼠相比，接种CASLNP的小鼠表现出显著增强的中和能力（图6c），表明CAS-LNP在诱导全身体液免疫应答方面的有效性。
COVID-19病毒通过呼吸道进入血液。
黏膜IgA在抵抗病毒试图通过呼吸道黏膜进入的初始防御中起着关键作用。为了研究黏膜免疫反应，我们使用ELISA检测了BALF中抗原特异性IgA水平。SM102-LNP表现出与PBS组相当的IgA水平（图6d），表明其触发IgA反应的能力有限。相比之下，CAS-LNP诱导的IgA水平显著升高，导致BALF具有强效的病毒中和能力，这是通过基于Omicron假病毒的实验测量的（图6e）。这些结果表明，CAS-LNP刺激气道内有效的体液免疫反应，这可能赋予对呼吸道病毒的优越保护。此外，我们通过用Omicron肽池重新刺激肺细胞，分析了肺细胞的免疫反应。采用IFN-γ酶联免疫吸附斑点（ELISpot）法分析产生干扰素γ (IFN-γ)的细胞。值得注意的是，CAS-LNP处理的小鼠产生IFN-γ的细胞数量最多，分别是SM102-LNP和pbs处理小鼠的15.5倍和46.4倍（图6f， g）。CAS-LNP对IFN-γ产生细胞的强大诱导表明，激活了肺中有效的抗原特异性细胞免疫反应，可以有效地靶向和消除感染细胞，从而增强病原体清除能力，限制感染严重程度。
组织常驻记忆T （TRM）细胞在抵抗各种呼吸道病原体方面起着至关重要的作用，并被认为是黏膜免疫反应的基准47。研究表明，黏膜组织中的TRM细胞可以长期保护黏膜病原体，包括SARS-CoV-2，其中TRM细胞在重症和轻度COVID-19患者的肺部诱导并持续长达10个月48。我们用流式细胞术分析了肺和balf中T细胞和TRM的数量（补充图33-37）。SM102-LNP和CAS-LNP处理的肺中CD4 +和CD8 + T细胞数量相似，均高于PBS处理（图6h， k），表明LNPs在吸入后引起促炎反应。TRM的发展需要首先将T细胞暴露于抗原。因此，与SM102-LNP相比，CAS-LNP mRNA表达的增强可能导致TRM水平升高。事实上，与SM102-LNP和PBS治疗相比，CAS-LNP治疗导致肺中CD4 + TRM （CD4 + CD44 + CD69 + CD11a +，图6i， j）和CD8 + TRM细胞（CD8 + CD44 + CD69 + CD103 +图61，m）的显著增加。此外，CAS-LNP增加了BALF内CD8 + T细胞和CD8 + TRM细胞的数量（图6n-p）。
综上所述，这些发现强调了CAS-LNP在触发强大的全身和黏膜免疫反应方面的效力。作为一种吸入式COVID-19候选疫苗，CAS-LNP能够刺激免疫系统的多个分支，提供全面的病毒保护。与SM102-LNP相比，CASLNP在雾化过程中的优越稳定性对其疗效起着至关重要的作用，因为它可以显著增强呼吸道中抗原的mRNA传递和表达。这些发现强调了脂质纳米颗粒制剂在调节黏膜免疫反应中的重要性，并为未来旨在加强黏膜免疫以保护呼吸道的免疫策略的设计提供了有价值的见解。
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撰写| 药时空
校稿| Gddra编审| Hide / Blue sea
编辑 设计| Alice