宾夕法尼亚大学的工程师们发明了一种改善mRNA传递的新方法，为可电离脂质开发了一种最佳“配方”——脂质纳米颗粒（LNPs）的关键成分，是COVID-19疫苗背后的分子和其他创新疗法。《自然生物医学工程》杂志描述了这种方法，它反映了开发烹饪菜肴的迭代过程，可能会导致更安全、更有效的mRNA疫苗和疗法。
就像厨师通过尝试口味和质地来完善一道菜一样，研究人员使用了一个迭代的过程，测试各种变化来找到可电离脂质的理想结构。这种脂质结构影响LNPs成功递送其内容物的能力，并推进疫苗和基因编辑的mRNA治疗。
LNP设计的突破
纳米粒子改变了mRNA疫苗和治疗药物的递送方式，使它们能够安全地穿过人体，到达靶细胞并有效释放其内容物。就其本身而言，RNA是脆弱的，否则就会在到达预定目标之前溶解。
这些纳米粒子的核心是可电离的脂质，这是一种特殊的分子，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。
在生物工程副教授迈克尔·j·米切尔（Michael J. Mitchell）的带领下，研究人员通过优化可电离脂质的结构，改进了这种输送过程。该团队超越了受速度和准确性之间权衡限制的现有方法，开发了一种循序渐进的“定向化学进化”过程。经过五个循环，每一次都进一步提炼脂质，他们创造了几十种高性能、可生物降解的脂质，有些甚至超过了工业标准。
秘密武器：定向化学进化
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。
“我们认为有可能实现两全其美，”该论文的第一作者韩雪香说，直到最近，他还是米切尔实验室的博士后。“速度快、精度高，但我们必须跳出该领域的传统局限。”
通过借用定向进化的思想，一种在化学和生物学中使用的模仿自然选择过程的技术，研究人员将精确度与快速输出结合起来，以实现他们理想的脂质“配方”。
这个过程从产生各种各样的分子开始，这些分子被筛选为它们传递mRNA的能力。然后，性能最好的脂质被用作产生另一轮分子变体的起点，以此类推，直到只剩下高性能变体。
创新成分：A3耦合
该团队改进可电离脂类配方的关键因素是A3偶联，这是一种三组分反应，以其化学成分命名：胺、醛和炔。
该反应从未被用来合成LNPs的可电离脂质，它使用廉价的、市售的成分，只产生水作为副产物，这使得它成为快速生产大量可电离脂质变体所需的定向进化成分的成本效益和环境友好的选择。
米切尔说：“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。
为什么这一进展很重要
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。
在这项工作中，优化的脂质改善了两个高优先级应用的临床前模型中的mRNA递送：编辑导致遗传性淀粉样变性（一种导致全身异常蛋白质沉积的罕见疾病）的基因，以及改善COVID-19 mRNA疫苗的递送。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。
除了这些特定的应用之外，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。
米切尔说：“我们希望这种方法能加速mRNA疗法和疫苗的研发，比以往任何时候都更快地为患者带来新的治疗方法。”
mRNA传递的新前沿
LNPs代表了一种安全、灵活的传递遗传物质的方式，但它们的成功取决于它们的可电离脂质的特性。宾夕法尼亚大学工程师的迭代设计过程使研究人员能够以前所未有的速度和精度改善这些脂质，使下一代mRNA疗法更接近现实。
有了这种创新的LNPs配方，宾夕法尼亚大学的工程师们在推进mRNA技术方面迈出了重要的一步，为更快、更有效地改变生活的治疗方法提供了希望。
这项研究是在宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院进行的，得到了美国国立卫生研究院（NIH）主任新创新者奖（DP2 TR002776）、Burroughs Wellcome基金在科学界面（CASI）的职业奖、美国国家科学基金会职业奖（CBET-2145491）、美国癌症协会研究学者补助金（RSG-22-122-01-ET）和iECURE的支持。
其他共同作者包括宾夕法尼亚大学工程学院的Kelsey L. Swingle、Junchao Xu、Ningqiang Gong、Lulu Xue、Giangqiang Shi和Il-Chul Yoon；宾夕法尼亚大学医学院和工程学院的Rohan Palanki；宾夕法尼亚大学医学院的mohammad - gabriel Alameh、Rakan El-Mayta、Garima Dwivedi、James M. Wilson和Drew Weissman；以及杰玛治疗公司的Claude C. Warzecha。
