COVID-19大流行期间，mRNA疫苗的研发取得了显著进展，这得益于脂质纳米颗粒（LNP）递送系统的成功应用。然而，现有的LNP递送系统存在一定的安全性问题，如肝毒性，因此研究者们需要开发新型的离子化脂质，以提高mRNA疫苗的安全性和有效性。
2024年10月10日，仁景生物董翊洁、张卫国与中国医学科学院北京协和医学院岑山教授等人在Advanced Science发表了题为“Discovery of Ketal-Ester Ionizable Lipid Nanoparticle with Reduced Hepatotoxicity, Enhanced Spleen Tropism for mRNA Vaccine Delivery”的研究论文，开发了一种基于酮酯结构离子化脂质（KELs）的LNP，提高mRNA疫苗的安全性和效率，特别是在减少肝毒性和增强脾脏趋向性方面。
新型缩酮酯脂质的设计合成与筛选
研究者首先通过在脂质分子中引入缩酮基团，设计了一系列新型的KELs。这些KELs的分子结构中包含一个可离子化的头基和两个尾基，其中尾基部分引入了缩酮结构。通过调整头基和尾基的化学结构，优化了脂质的pKa值和分子形状。
缩酮酯脂质的结构、合成和体内筛选示意图
通过体内实验筛选了不同KELs的递送效率。他们发现，具有特定pKa值（6-7）的KELs展现出更高的递送效率。特别是，(4S)-KEL12 LNP在肌肉注射后显示出比DLin-MC3-DMA LNP更高的荧光素酶活性，表明其具有更好的递送效率。这一发现对于理解LNP的结构-活性关系至关重要，为进一步优化LNP的设计提供了重要信息。
KEL LNPs 的筛选
值得一提的是，他们还研究了KEL12的立体化学对其递送效率的影响。他们合成了(4S)-KEL12和(4R)-KEL12两种构型分子，并发现这两种立体异构体在递送效率上没有显著差异。因此，他们选择了(4S)-KEL12进行进一步研究。这一发现表明，对于KEL12而言，立体化学并不是影响其递送效率的关键因素。
立体构型对递送效率的影响
(4S)-KEL12 LNP的体内递送研究
随后，评估了(4S)-KEL12 LNP在体内的器官表达趋向性。他们发现，与DLin-MC3-DMA LNP和SM-102 LNP相比，(4S)-KEL12 LNP在肝脏的表达较低，而在脾脏的表达较高。这一结果表明，(4S)-KEL12 LNP可能更倾向于脾脏，这对于疫苗递送是一个优势，因为脾脏是重要的免疫器官，能够促进抗原呈递和免疫反应的发生。
(4S)-KEL12 LNP的器官和组织向性
在对(4S)-KEL12 LNP的毒性研究中，他们发现，与DLin-MC3-DMA LNP相比，(4S)-KEL12 LNP在高剂量下也显示出更低的肝毒性，这表明其具有更好的安全性。此外，(4S)-KEL12 LNP在肌肉注射后未引起显著的肌肉损伤或其他不良反应，进一步证实了其良好的安全性。
另外，他们还研究了(4S)-KEL12 LNP在体内的生物降解性。结果发现，(4S)-KEL12 LNP在体内能够被有效降解，其脂质和mRNA水平在注射后一定时间内显著降低。这表明(4S)-KEL12 LNP在完成其递送任务后能够被机体清除，减少了长期潜在的毒性风险。
(4S)-KEL12 LNP的生物降解性和分布
(4S)-KEL12 LNP的免疫原性和抗肿瘤效果
随后，他们研究了(4S)-KEL12 LNP包裹表达HPV16和18 E6/E7抗原的mRNA疫苗，在小鼠肿瘤模型中的免疫原性和抗肿瘤效果。他们发现，(4S)-KEL12疫苗能够显著激活特异性CD8+ T细胞的免疫反应，并抑制肿瘤的生长。
此外，(4S)-KEL12疫苗还诱导了高水平的IFN-γ和IL-2的产生，进一步证实了其强大的免疫激活能力。这些结果表明，(4S)-KEL12 LNP疫苗具有良好的免疫原性和抗肿瘤效果，为未来的临床应用提供了有力支持。
(4S)-KEL12 疫苗对 TC-1 肿瘤模型的治疗效果
基于上述结果，研究者们得出结论，(4S)-KEL12 LNP作为一种新型LNP递送系统，具有提高mRNA疫苗安全性和有效性的潜力。其较低的肝毒性、较高的脾脏趋向性、良好的生物降解性和有效的免疫激活能力，使其成为未来mRNA疫苗递送系统的理想选择。此外，(4S)-KEL12 LNP在肿瘤模型中展现出的显著抗肿瘤效果，进一步证明了其在癌症治疗领域的应用潜力。
这些研究结果不仅为KEL12 LNP的进一步开发和应用提供了坚实的科学基础，而且为mRNA疫苗的递送技术提供了新的发展方向。通过优化LNP的设计，研究者们有望开发出更安全、更有效的mRNA疫苗，以应对各种传染病和癌症等疾病的挑战。
参考资料
Lv K, Yu Z, Wang J, Li N, Wang A, Xue T, Wang Q, Shi Y, Han L, Qin W, Gong J, Song H, Zhang T, Chang C, Chen H, Zhong X, Ding J, Chen R, Liu M, Zhang W, Cen S, Dong Y. Discovery of Ketal-Ester Ionizable Lipid Nanoparticle with Reduced Hepatotoxicity, Enhanced Spleen Tropism for mRNA Vaccine Delivery. Adv Sci (Weinh). 2024 Oct 10:e2404684. doi: 10.1002/advs.202404684.
