基于mRNA的疗法和疫苗正在彻底改变治疗或预防疾病的现代医学方法。最近，三种基于脂质纳米颗粒（LNP）的RNA药物或mRNA疫苗获批，以及LNP-mRNA疫苗或疗法的持续进展，引发了人们对LNP这种安全有效的非病毒载体的极大兴趣。可电离脂质（LNP的四种组分之一）在很大程度上决定了脂质纳米颗粒（LNP）的生物相容性和mRNA递送的有效性。通过理性设计和组合合成，已开发出高效、生物可降解的可电离脂质，但目前仍缺乏逐步优化离子化脂质结构的方法。2024年11月22日，宾夕法尼亚大学 Michael J. Mitchell 团队（韩雪祥博士为第一作者，现为中国科学院分子细胞科学卓越创新中心研究员）在 Nature 子刊 Nature Biomedical Engineering 上发表了题为：Optimization of the activity and biodegradability of ionizable lipids for mRNA delivery via directed chemical evolution 的研究论文。该研究利用胺-醛-炔（amine-aldehyde-alkyne，A3）偶联反应迭代加速基于炔丙胺的可电离脂质（命名为A3-脂质）的结构优化，以提高其递送活性和生物可降解性。通过5轮定向化学进化，该研究确定了数十种生物可降解、非对称A3-脂类，其递送活性与标准可电离脂类相当或更优，改善了基于mRNA的CRISPR基因编辑其的肝脏递送和SARS-CoV-2 mRNA疫苗的肌肉递送。更重要的是，该研究提出的定向化学进化方法和发现的结构标准或将mRNA递送所需的可电离脂类的开发时间从数年缩短到数月甚至数周，从而加速基于mRNA的疫苗和疗法的开发，对包括感染疾病和遗传疾病的治疗产生广泛影响。韩雪祥，本科毕业于上海大学，博士毕业于清华大学（国家纳米科学中心联合培养），博士期间在赵宇亮研究员、李亚栋教授和聂广军研究员指导下从事纳米药物的抗肿瘤研究。2020年，韩雪祥加入了宾夕法尼亚大学 Michael Mitchell 实验室进行博士后研究工作，致力于开发用于mRNA递送的新型LNP。2024年2月，韩雪祥入职中科院分子细胞科学卓越创新中心，任课题组长、博士生导师。韩雪祥博士
传统LNP配方包含四种成分：可电离脂类、磷脂、胆固醇和聚乙二醇化脂质。可电离脂质通常由1个氨基头部和2个（或更多个）由连接子连接的烷基尾部组成，这些连接子在保护和运输RNA货物中发挥关键作用。在酸性LNP配方条件下，可电离脂质被质子化并转换为正电荷状态，从而可以与带负电的RNA分子结合和封装。在生理pH值下，可电离脂质保持中性，从而规避与电荷相关的毒性并改善LNP的药代动力学特征。被细胞摄取后，内体的酸性环境有助于可电离脂质的质子化，导致其从内体中逃逸和mRNA的释放。值得注意的是，可电离脂质不仅影响LNP的效力，而且影响其生物相容性。因此，目前的研究重点是开发具有改善活性和生物降解性的可电离化脂质。可电离脂类通常通过药物化学或组合化学合成，药物化学方法包括在假定的体内作用机制和经验结构准则的指导下，对可电离脂类进行理性设计和多步骤有机合成。美国FDA批准的DLin-MC3-DMA（MC3）是基于该方法开发的具有代表性的可电离脂质。尽管这种方法确保了制备理想候选脂质的高成功率，但它受到了费力、低通量的合成的限制，使其难以制备结构多样的脂质和系统地研究结构-活性关系。而组合化学方法通常涉及基于高效的双组分反应或多组分反应的可电离脂质合成。它能够快速、高通量地合成结构多样化的脂质，但由于易于获得的起始材料的限制，它对具有高效力和生物降解性的脂质的命中率较低。将基于药物化学的理性设计的最佳构建模块与基于组合化学的高通量合成相结合，利用了这两种方法的优势来生成所需的可电离脂质结构。然而，这一综合方法仍然高度依赖于经验主义和试错实践，这推动了开发一种理性驱动和逐步方法的方法，以从结构上优化具有所需性质的可电离脂质。定向进化（directed evolution）是一种强大的技术，应用于化学和生物学领域，通过在受控环境中模拟自然进化的原理来设计或改进分子和生物系统，使其具有所需特性。这一过程涉及反复的突变、筛选和选择，以优化所需的性状或功能。定向进化的原理可以被利用来加速可电离脂质的开发，并改善其活性和生物降解性。在这项最新研究中，研究团队基于创新的组合化学-A3（amine-aldehyde-alkyne，胺-醛-炔）偶联，提出了一种定向化学进化方法，用于对可电离脂类进行加速、理性驱动的迭代结构优化。首先，研究团队使用市售的起始材料生成了基于炔丙胺（propargylamine）的可电离脂质（称为A3-脂质）的先导文库，然后筛选这些脂质的mRNA递送效率。接下来，研究团队以具有良好结构/性状的高性能A3-脂质为起点，进行了后续一轮理性驱动的、定制的、定点的“突变”和筛选，并在多次迭代中逐步提高了效力和生物可降解性。经过5轮的定向化学进化，研究团队发现了数十种生物可降解的非对称A3-脂质，其效力达到或超过行业标准的可电离脂质，并确定了决定其体内mRNA递送效力的关键结构标准。最后，研究团队证明了在基于mRNA的CRISPR基因编辑（肝脏递送）和COVID-19疫苗（肌肉递送）应用中，该研究发现的主要的A3-脂质相对于FDA批准的两种可电离脂质（DLin-MC3-DMA、DOP-DEDA）具有更高的性能。论文第一作者韩雪祥博士表示，可电离脂质的开发有可能同时实现高速和高精确性，但想实现这一点，我们必须跳出该领域的传统界限。该研究开发的A3反应不仅有效，而且足够灵活，可以精确控制脂质分子结构。这种灵活性是微调可电离脂质特性以实现安全有效mRNA递送的关键。总的来说，该研究提出的定向化学进化方法和发现的结构标准或将mRNA递送所需的可电离脂类的开发时间从数年缩短到数月甚至数周，从而加速基于mRNA的疫苗和疗法的开发，对包括感染疾病和遗传疾病的治疗产生广泛影响。相关阅读：
韩雪祥等总结用于RNA递送的可电离脂质工具箱
https://www.nature.com/articles/s41551-024-01267-7
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