RNA 疗法已成功转化为临床应用。脂质纳米颗粒（LNP）广泛用作商业疫苗和基因治疗产品中 RNA 疗法的非病毒递送载体。然而，扩大基于LNP的RNA疗法的临床应用的瓶颈在于这些纳米颗粒优先在肝脏中积累的趋势。这一挑战强调了设计能够将 RNA 递送至肝脏以外器官的 LNP 的必要性。2024年9月5日，美国塔夫茨大学 许巧兵 教授团队在《Advanced Materials》发表了一篇题为"Tuning Lipid Nanoparticles for RNA Delivery to Extrahepatic Organs"的综述文章，详细探讨了 LNPs 在 RNA 递送至肝外器官方面的研究进展。
基因疗法在肺部疾病（如囊性纤维化、纤毛运动障碍和α-1抗胰蛋白酶缺乏症）治疗中备受关注。肺部药物递送通常采用吸入或全身给药方法，虽然RNA-LNP在全身给药后能到达肺内皮，但脱靶转染可能增加不良副作用的风险。近期，选择性器官靶向 SORT-LNP 通过在四组分配方中添加阳离子脂质（如DOTAP、DDAB或EPC）实现了肺部靶向（图1a）。这种LNP能够转染约40%的上皮细胞、65%的内皮细胞和20%的免疫细胞。专门针对肺部的SORT-LNP，如50% DOTAP组成的LNP，能诱导PTEN编辑；而9A1P9-DDAB iPLNP则转染34%的内皮细胞、20%的上皮细胞和13%的免疫细胞，并显示高mRNA表达。通过用阳离子替代物代替辅助脂质，可以将药物靶向从肝脏转移至肺部。例如，将DOTAP替代DOPE后，肝脏与肺部的蛋白质表达比从36:1变为1:56。另一种方法是将含酯连接基的可电离脂质替换为含酰胺连接基的类脂质，实现肺靶向。例如，306-N16B LNP专门将mRNA递送至肺部。改变N系列LNP的胺头化学结构也会影响其亚细胞转染效率，当与Cre mRNA复合时，306-N16B LNP能转染33.6%的肺内皮细胞，而113-N16B LNP则能影响约69.6%的内皮细胞（图1b）。二级淋巴器官（SLO），如脾脏和淋巴结，对启动适应性免疫至关重要。将RNA递送至SLO中的免疫细胞，可以用于癌症和自身免疫疾病的免疫治疗。SORT LNP通过添加阴离子脂质（如14PA、18BMP、18PA）到四组分LNP配方中，实现脾靶向（图2a）。30% 18PA的SORT LNP能够专门针对脾脏转导约12%的B细胞、10%的T细胞和20%的巨噬细胞。此外，利用18PA SORT LNP共同传递Cas9 mRNA和sgPTEN，实现了在小鼠脾脏中进行PTEN编辑，但这也在肝脏和肾脏诱导了tdTomato表达。
对比9A1P9和10A1P16制剂，后者显示出更佳的递送效率，能够转染约30%的巨噬细胞和6%的B细胞。用磷脂酰丝氨酸（PS）替代DOPE，可以将肝脏靶向转移至脾脏，蛋白表达比例由8:1变为1:3。此外，将PS添加到基于MC3的Onpattro LNP中，可使其靶向淋巴结和脾脏（图2b）。通过仿生策略，向LNP中添加PS，促进单核细胞和巨噬细胞的内吞，提高了递送至SLO的效率。由于脾脏内有丰富的免疫细胞，它是工程免疫细胞治疗的关键靶点。目前的策略多依赖于体外工程的免疫细胞，直接递送RNA至原代T淋巴细胞仍具挑战。此外，还有人报道了一种含咪唑类脂质的LNP，能够在静脉注射后特异性递送mRNA至CD8+ T淋巴细胞，实现了8.2%的基因重组。采取靶向脾脏的SORT LNP还可转染脾T细胞，原位生成CAR-T细胞，从而提高小鼠的存活率，减少肿瘤转移（图2c）。将RNA递送至淋巴结同样关键。最近的一项研究显示，通过皮下注射将癌症抗原mRNA递送至淋巴结，能够强烈刺激免疫反应以消除癌症，同时最大限度地减少其他脱靶组织的积累，降低免疫介导的肝损伤风险（图2d）。骨骼被视为多种疾病基因疗法的关键靶点。骨髓中的异常造血干细胞（HSC）会导致血液和免疫疾病，目前的治疗方法主要是通过基因工程或健康HSC替代病态HSC，但这一策略存在严重副作用且进入难度大。尽管骨骼血管化程度高，但由于血流量低、血液-骨髓界面的物理屏障以及药物对骨矿物质亲和力低，使得全身给药的生物利用度有限。
近年来，通过将CD117抗体缀合到LNP表面，实现了主动骨靶向。例如，CD117 LNP可以有效递送siRNA和mRNA至小鼠HSC，使约90%的HSC和祖细胞实现基因重组（图3a）。此外，CD117 LNP促进了碱基编辑系统在骨髓中的传递，实现对造血镰状细胞的几乎完全校正。为了解决骨靶向的生物障碍，Xue等人设计了一系列对骨矿物质具有高亲和力的二磷酸脂材料。研究发现，二磷酸盐LNP增强了mRNA向骨骼的递送（图3b）。经过高通量筛选，含低聚物脂质7C1、PEG-脂质、胆固醇和辅助脂质的BM1 LNP被鉴定为具备骨髓向性。值得注意的是，BM1的骨髓向性受PEG脂质的烷基长度、分子量和胆固醇的化学性质影响，而LNP的大小影响不大。BM1能够特异性递送ICAM-2 siRNA和sgRNA至骨髓内皮细胞（BMEC），分别导致37%的沉默和15%的插入缺失。血脑屏障（BBB）对全身给药后的高分子量、亲水性大分子的输送至中枢神经系统（CNS）提出了重大挑战。尽管递送技术不断进步，跨越血脑屏障仍然是纳米疗法面临的主要难题。虽然一些利用BBB顶膜内皮细胞受体的策略正在取得进展，但基于LNP的脑靶向RNA递送的实例仍然有限。
在一项研究中，研究人员将神经递质衍生的类脂质掺杂到LNP中，从而成功将反义寡核苷酸递送到大脑（图4）。此外，在另一项研究中，糖基化聚合物纳米颗粒能够穿越BBB，并通过葡萄糖转运蛋白1（Glut1）在禁食条件下将siRNA递送至大脑。向胰腺提供治疗药物以应对癌症和糖尿病等难治性胰腺疾病具有重要意义。尽管已有研究利用病毒递送系统成功将基因递送至胰腺，但将RNA-LNP有效递送至胰腺细胞仍然面临挑战。
图5 与静脉注射相比，腹腔给药 mRNA-LNP 有助于递送至胰腺
最近，有研究发现，含有阳离子辅助脂质的LNP在腹膜内给药后能够有效递送mRNA至胰腺，并产生稳定且特异性的蛋白质表达（图5）。这一研究显示，主要的蛋白质表达发生在产生胰岛素的细胞内。此外，研究还表明，腹膜巨噬细胞外泌体的分泌水平在基因转移的过程中对向胰腺的递送起着决定性作用。纳米粒子进入体循环后，会吸附血清蛋白和生物分子，形成生物分子冠，从而降低其表面张力。这一生物分子冠被认为决定了器官选择性靶向。最近研究表明，LNP的表面特性会影响生物分子冠的组成及LNP的去向。例如，SORT-LNP的表观pKa决定其生物分子冠的特征：当pKa < 6时，𝛽2-糖蛋白I有利于脾脏靶向；pKa 6-7时，ApoE促进肝脏靶向；而pKa > 9.25时，玻连蛋白则促进肺靶向（图6b）。
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图6 生物分子冠介导的肝外器官选择性 RNA-LNP 递送
此外，脂质赋形剂的化学性质也会影响生物分子冠。例如，酰胺连接体替代可电离脂质中的酯连接体可改变靶器官，从肝脏转移到肺部。尽管在LNP上，白蛋白往往是主要成分，但其他成分如ApoE和纤维蛋白原的丰度可能因LNP的类型而异（图6c）。改变SORT脂质的化学结构可能会稍微改变每种成分的比例，从而影响LNP的靶向能力。
尽管生物分子冠在选择性靶向中扮演重要角色，但其机制仍不明确。现有的正向机制表明，冠中某些成分控制器官靶向，但新研究质疑这种简化的理解。未来需要深入研究，包括生物分子冠是否仅由蛋白质驱动，以及其成分和构象如何影响靶向。此外，探索体内动态形成的生物冠成分和开发能量或结构上可变的合成冠的策略也是未来研究的重点。
