长春应化所陈学思/宋万通团队《Mater. Horiz.》：基于聚氨基酸的脾靶向递送mRNA的磷脂酰聚合物文库

2024-04-03 来源：高分子科技

由于mRNA的固有缺陷，建立稳定、有效和安全的递送系统对mRNA技术的应用至关重要。目前已有的递送系统中，脂质纳米颗粒(LNPs)处于临床转化的最前沿。然而，LNP也同时存在着高炎性反应和难以实现非肝组织递送等不足。相比之下，基于聚合物的mRNA递送系统具有灵活的化学结构和易于功能化的优势，表现出极大的应用潜力。但由于目前的聚合物递送系统存在细胞毒性大和转染效率低等阻碍，因此亟需进一步改进。

磷脂是生物膜和细胞器的关键成分，在细胞运输途径中起着重要作用。它们可以整合到天然生物膜中来增强材料的内涵体逃逸，从而克服当前纳米载体的限制。得益于聚合物灵活的化学结构，将磷脂与聚合物结合得到的磷脂酰聚合物可以利用这两种物质的双重优势。磷脂尾部赋予了聚合物优异的膜穿透能力，而阳离子聚合物经磷脂酰化后生物安全性得以提升。不仅如此，聚合物材料的亲疏水性、pKa值等理化参数也可以灵活调整，以满足实际需求。

近日，中国科学院长春应用化学研究所陈学思/宋万通研究员团队以此为基础，报道了一种基于聚谷氨酸的磷脂酰聚合物文库用于mRNA递送。接枝环氧基团的聚谷氨酸首先通过开环反应与各类胺发生反应，使其转化为阳离子聚合物。随后，通过阳离子聚合物与烷基化二氧磷烷分子(PLs)的组合反应，将磷脂引入聚氨基酸侧链，得到最终的磷脂酰聚合物文库(PLG-PPs)。

图1. PLG-PPs文库的聚合物设计和化学合成路线。

通过不同的磷脂分子与胺的分步偶联，作者制备了多样化和差异化的聚合物文库用于后续筛选，并通过调整文库中磷脂酰材料的化学结构，调控文库材料的不同理化性质。在对文库材料的前期筛选中作者观察到，一些磷脂酰化聚合物与其对应的亲本阳离子聚合物相比，mRNA转染效率显著提高。其中体外转染性能最好的PA8-PL3，转染效果比亲本材料提高了14716倍。此外，与未修饰的亲本材料相比，PLG-PPs材料的生物相容性也得到增强。值得注意的是，虽然磷脂的引入提高了聚合物的转染活性，但并不是在所有亚群中都观察到这种现象。这表明磷脂酰聚合物的mRNA递送效率不是由单一因素决定的。与那些表现不佳的PLG-PPs相比，性能良好的PLG-PPs具有恰到好处的pKa值。除pK_a的影响外，合适长度的磷脂尾部的引入大大增强了PLG-PPs/mRNA复合物的细胞摄取和内涵体逃逸能力。

图2. PLG-PP材料的体外筛选和验证。

随后，作者评估了PLG-PPs静脉注射后在体内的生物分布行为。离体成像结果表明，4种被测物质主要富集于肝、肺和脾（肝脏富集程度最高），其他脏器富集较少。然而，PLG-PPs/mRNA复合物的生物分布并不绝对等同于其体内转染情况。纳米颗粒在肝脏中富集并不意味着PLG-PPs介导的mRNA传递是靶向肝脏的。因此，作者随后对小鼠尾静脉注射了优选的PLG-PPs（PA8-PL1，PA8-PL2，PA8-PL3，PA8-PL4），并评估了其介导的体内转染效率。

图3. PLG-PPs/mRNA的体内生物分布。

尽管PA8-PL1和PA8-PL2在体外有效，但它们几乎不可介导体内转染。相比之下，PA8-PL3在体内的转染效率最高。令人意外的是，它的体内转染偏向性与其生物分布结果不同，对脾脏有显著的选择性。该聚合物介导的脾脏蛋白表达量占主要脏器蛋白表达量的69.73%。相比之下，阳性对照LNP SM102的mRNA转染效率虽然高于所有PLG-PPs，但其主要转染肝脏组织。

图4. PLG-PPs/mRNA的体内转染表征。

mRNA在体内的选择性递送是一个复杂的过程，不同的参数都会对其选择性和效率产生影响。考虑到PA8-PL3在生物分布试验中并未在脾脏中有最高的富集，作者对其他可能的机制进行了研究。脾脏是最重要的免疫功能淋巴器官之一，它包含各种免疫细胞亚群，如树突状细胞、T细胞、B细胞和巨噬细胞。PLG-PPs/mRNA复合物的靶向性可能不是针对器官，而是针对脾脏中的某些特定细胞。流式细胞术分析显示PA8-PL3/mRNA复合物对大多数典型免疫细胞都具有较好的转染效果。脾脏对PLG-PPs/mRNA复合物的优选摄取可能就归功于脾脏中的特定细胞对复合物纳米粒子的选择性摄取。这种特异性摄取受到磷脂尾部长度的强烈影响。这可能是因为某些特定的磷脂结构帮助纳米颗粒穿透细胞膜，使细胞更容易摄取。详细的机制研究仍在进行中。

图5. PLG-PPs/mRNA的体内转染表征。

总结：

这种基于磷脂-聚合物材料的mRNA递送平台引入了可调节的磷脂酰基团，以增强纳米颗粒的生物相容性，同时保持其mRNA的包封能力。引入的疏水磷脂尾部还增强了PLG-PPs的细胞摄取和细胞内逃逸能力。令人鼓舞的是，经静脉给药后，PLG-PPs导致脾脏中有效mRNA的选择性表达，在未来的癌症免疫治疗和疫苗开发中显示出巨大的潜力。本文描述的可扩展磷脂酰化方法可以扩展到所有富含阳离子的聚氨基酸，为基于聚合物的mRNA治疗的发展开辟新的途径。
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”为题，发表在《Materials Horizons》上（DOI: 10.1039/d3mh02066e）。长春应用化学研究所博士研究生赵汉秦为文章的第一作者，宋万通研究员和陈学思院士为论文的共同通讯作者。该工作得到科技部、国家自然科学基金委、吉林省科学技术厅、中国科学院青年创新促进会（宋万通研究员为青促会第十批会员）等基金的支持。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh02066e

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（责任编辑：xu）

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