Nature子刊：化学进化促进mRNA纳米颗粒优化

为了制造A1脂质纳米颗粒，将mRNA传递到靶细胞，宾夕法尼亚大学的科学家们使用了A3偶联。A3指的是胺-醛-炔偶联反应，宾夕法尼亚大学的科学家利用该反应迭代地加速了丙胺基可电离脂质的结构优化。这些脂质自然地被称为A3脂质。当经过适当优化的A3脂质自组装成脂质纳米颗粒时，结果是mRNA递送载体可以安全地穿过身体到达目标细胞，有效地释放其内容物，并通过生物降解分解。

那么，宾夕法尼亚大学团队设计的含有a3脂质的脂质纳米颗粒是如何被称为A1的呢？它们在两个高优先级应用的临床前模型中表现更好：可用于治疗遗传性淀粉样变性的基因的传递，以及COVID-19 mRNA疫苗的传递。在这两种情况下，工程脂质都比目前的工业标准脂质表现出更高的性能。

最近，《Nature Biomedical Engineering》杂志发表了一篇题为《Optimization of the activity and biodegradability of ionizable lipids for mRNA delivery via directed chemical evolution 》的文章。文章描述了宾夕法尼亚大学团队如何使用A3偶联反应作为迭代化学衍生化和组合化学工具。有了它，宾夕法尼亚大学的研究小组实现了可电离脂质结构的逐步优化，这是一项以前没有实现的壮举，尽管应用了合理的设计和组合合成来开发有效的可生物降解的可电离脂质。

该文章的作者写道：“通过这种定向化学进化的五个循环，我们确定了数十种可生物降解和不对称的a3脂质，它们的输送活性与基准的可电离脂质相当或更好。然后，我们推导出了头基、酯链和尾部的结构-活性关系。

“与标准的可电离脂质相比，导联A3-脂质改善了基于mRNA的基因组编辑器的肝脏递送和针对SARS-CoV-2的mRNA疫苗的肌肉递送。通过定向化学进化发现的可电离脂质的结构标准可能会加速用于mRNA递送的LNPs的发展。”

这种设计可电离脂质的新方法有望对基于mRNA的疫苗和疗法产生广泛影响，这些疫苗和疗法有望治疗从遗传疾病到传染病等一系列疾病。此外，这种新方法有可能加速mRNA治疗的整体发展。虽然使用传统方法开发有效的脂质可能需要数年时间，但该团队的定向进化过程可以将这个时间缩短到几个月甚至几周。

宾夕法尼亚大学生物工程副教授Michael J. Mitchell说：“我们的希望是，这种方法将加速mRNA疗法和疫苗的研发，以前所未有的速度为患者带来新的治疗方法。”

宾夕法尼亚大学研究小组的纳米颗粒的核心是可电离的脂质，也就是说，脂质可以根据周围环境在带电和中性状态之间切换。这种转换对纳米颗粒的旅程至关重要：在血液中，可电离的脂质保持中性，防止毒性。但是一旦进入目标细胞，它们就带正电荷，触发mRNA负载的释放。

为了开发更安全、更有效的可电离脂质，宾夕法尼亚大学的工程师们采用了一种独特的方法，将两种流行的方法结合在一起：药物化学，需要缓慢而费力地一步一步地设计分子；组合化学，需要通过简单的反应快速生成许多不同的分子。前者精度高但速度慢，后者精度低但速度快。

该论文的第一作者Xuexiang Han说：“我们认为有可能达到两全其美——高速和高精度。直到最近，他还是米切尔实验室的一名博士后。“但我们必须跳出这个领域的传统局限。”

Mitchell 说：“我们发现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安全有效地递送mRNA的关键。