《Cancer Nexus》：Engineering Lipid Nanoparticles for Precision RNA Delivery: Design Principles, Targeting Strategies, and Clinical Prospects
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这篇综述系统剖析了脂质纳米颗粒（LNP）作为主流RNA递送平台的工程化进展。文章从分子层面深入探讨了可电离脂质、辅助脂质、胆固醇、PEG脂质等关键组分（包括其头部、连接子和尾部结构）的精细调控如何影响LNP的物理化学性质、体内分布、内涵体逃逸效率和免疫原性。同时，综述聚焦于肿瘤和免疫器官递送，阐述了配体介导的主动靶向、制剂驱动的内在靶向及给药途径优化等新兴策略。最后，文章讨论了LNP在克服肿瘤异质性、基质屏障和免疫抑制性肿瘤微环境（TME）等挑战方面的应用前景及临床转化难题，为设计更精准、高效的RNA-LNP疗法提供了理性指导。
基因疗法作为遗传医学中的一种前沿策略，在癌症、遗传病等多种疾病的治疗中展现出变革性潜力。RNA疗法因其仅需递送至细胞质、不涉及基因组整合而风险较低，但其自身带强负电荷、易被酶降解的物理化学缺陷阻碍了有效的细胞内递送。因此，开发能够保护RNA、促进细胞摄取、实现内涵体逃逸并确保胞质释放的递送系统至关重要。在众多非病毒纳米平台中，脂质纳米颗粒（LNP）凭借其临床进展、生物相容性及规模化生产潜力，已成为体内基因递送，特别是信使RNA（mRNA）疫苗（如Comirnaty和Spikevax）的核心平台。
LNP的物理化学性质
LNP的物理化学性质，如粒径、形态和表面酸解离常数（pKa），深刻影响其细胞摄取、基因表达和生物分布。粒径在20-200纳米范围内通常可提供足够的稳定性，其中100-200纳米的颗粒能更好地逃避肝脾摄取，而约300纳米的颗粒在吸入给药时显示出良好的黏膜穿透性。LNP的内部纳米结构同样关键，具有双连续立方相或反六方相的LNP相比层状相LNP，能表现出更优越的胞内递送效率，这归因于其更易于与内涵体膜融合并直接释放载荷。pKa是另一个核心参数，大多数LNP的最佳pKa在6.0-7.0之间，这有助于在生理pH下保持近中性电荷以延长循环时间，同时在酸性内涵体中质子化以促进膜融合和逃逸。例如，pKa约6.2-6.5适合肝脏基因表达，而pKa6.6-6.9则能最大化肌肉注射mRNA疫苗的免疫原性。
LNP结构与组分的设计与优化
LNP是一种多组分脂质纳米结构，通常由可电离脂质、辅助磷脂、胆固醇和聚乙二醇（PEG）衍生物组成。每个组分都扮演独特角色，任何组分的修饰都可能显著改变LNP的整体性能。
可电离脂质
可电离脂质是决定LNP功能的关键，其结构可分为头部、连接子和尾部，每一部分的化学设计都深刻影响RNA封装、靶向特异性和免疫调节特性。
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头部：可电离脂质的头部是决定其与mRNA相互作用、内涵体逃逸、靶向行为和免疫调节的核心功能域。除经典的烷基或环状胺基团外，新型头部设计层出不穷。例如，方酰胺（Squaramide）基头部（如FS01）可通过多价氢键和π-π堆叠增强与mRNA的结合，提高封装密度和转染效率。咪唑基头部（如93-O17S, A3B7C2）能实现无配体的脾脏靶向和T细胞转染。而STING激动剂衍生的头部（如SAL12）则将mRNA递送与先天免疫通路激活功能合二为一。神经递质衍生的头部（如OS4）则能利用内源性转运系统促进血脑屏障（BBB）穿透。此外，喹啉基、抗氧化剂（如硫辛酸）、四氢嘧啶（THP）和噻吩基等头部结构也被开发用于增强内涵体逃逸、靶向视网膜或赋予ROS清除等附加功能。
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连接子：连接头部和尾部的连接子远非简单的结构间隔，它编码了LNP的稳定性、可降解性、细胞内响应性和器官选择性。可裂解的酯键（如临床脂质MC3、ALC-0315、SM-102中使用）是平衡制剂稳定性和体内生物降解性的经典策略。二硫键连接子（如DDA-SS-DMA， 4A3SCC10/pH）则利用细胞内还原性环境实现响应性裂解，促进细胞内释放并提升抗肿瘤疗效。此外，缩酮、二氢咪唑、亚胺硼酸酯等可降解或刺激响应性连接子也被用于调控降解动力学和器官靶向性。有趣的是，连接子的化学组成（如酰胺、尿素、碳酸酯、反酯）可独立地影响器官选择性，导致LNP倾向于靶向肺、肝或脾脏。
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尾部：疏水性尾部结构通过影响膜流动性、结构稳定性和融合性，是决定LNP递送效力的关键。主要尾部类型包括：
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可生物降解尾部：在尾部引入酯键、二硫键等可裂解基团，旨在促进载体代谢清除，减轻长期滞留带来的毒性风险。例如，LP-01、Lipid five等可快速被肝脏清除，而保持与MC3相当的蛋白表达。
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不饱和尾部：引入顺式双键（如临床脂质MC3中的亚油酰基）可扰乱紧密的酰基链排列，增加膜流动性，促进LNP在内涵体酸性条件下向非层状相（如反六方相HII）转变，从而显著增强内涵体膜融合和胞质释放效率。
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支链尾部：在疏水链上引入烷基侧链（如甲基、乙基）可形成锥形分子几何结构，有利于形成融合性的HII相，从而提升转染效率。Moderna的SM-102和Pfizer-BioNTech的ALC-0315均采用了支链尾部设计。系统研究表明，增加疏水含量和对称性有助于形成更小、更均一的颗粒并提高封装效率。
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多尾结构：拥有三个或更多线性疏水链的多尾脂质（如C12-200, iPhos 9A1P9）具有更显著的锥形几何结构，有利于膜曲率生成和脂质相变，从而在RNA封装和膜相互作用方面表现出色。
辅助脂质
辅助脂质（如DSPC, DOPE, DOPC）约占LNP总脂质的10%–20%，其主要作用是增强双层稳定性、促进膜融合和细胞摄取。辅助脂质的身份可显著影响LNP的体内分布。例如，DOPE基LNP因与载脂蛋白E（ApoE）结合更强而主要积聚于肝脏，而DSPC基LNP则因ApoE相互作用较弱而优先定位于脾脏。用阴离子磷脂（如DSPG）替换DSPC可增强mRNA向肝窦内皮细胞的递送。新型工程化磷脂，如金刚烷功能化磷脂可实现肝免疫细胞的无配体靶向，而二硫代戊环修饰的磷脂（S-DOPE）可通过硫醇介导的内吞作用增强mRNA摄取。
胆固醇
胆固醇通常占LNP总脂质的20%–50%，对于维持LNP结构完整性和生物学功能至关重要。它通过填充磷脂间隙、促进紧密脂质堆积来调节膜流动性、增强颗粒稳定性并促进细胞摄取。修饰或替换胆固醇是增强LNP性能的有效策略。例如，用植物甾醇β-谷甾醇部分或完全替换胆固醇，可改变LNP形态、促进内涵体逃逸、减少尼曼-匹克C1型（NPC1）介导的再循环，从而提高转染效率，并改善肺部雾化递送效果。羟基化胆固醇衍生物（如7α-羟基胆固醇）可破坏NPC1识别，增强mRNA向T细胞的递送。此外，用内源性皮质类固醇（如皮质酮）替换胆固醇产生的Cortico-LNPs，可将mRNA递送从肝脏重定向至脾脏，选择性超过97%。最新研究甚至表明，通过合理设计，胆固醇可以从LNP配方中省略或被替换，以重编程生物分布。
PEG脂质
聚乙二醇（PEG）脂质是LNP中最常用的隐形组分，其链长、分子量和摩尔比对于调节体内生物分布至关重要。PEG在LNP表面形成亲水空间屏障，可减少血清蛋白吸附和网状内皮系统（RES）清除，从而延长循环时间。然而，PEG也面临“PEG困境”：过多PEG化会阻碍细胞摄取和内涵体逃逸；重复给药可能诱导抗PEG抗体，加速血液清除（ABC），损害疗效。因此，可裂解PEG脂质的设计成为研究热点。通过肽键、二硫键、乙烯基醚键、腙键、缩醛键等连接PEG链，使其能够在特定生理或病理条件（如内涵体酸性pH、高还原性、酶切）下响应性断裂，实现“隐形-主动”转换，在延长循环的同时增强靶点细胞摄取。例如，酸不稳定的“叠氮-缩醛”（ADP）连接子可在内涵体pH（~5.0）下快速水解，其构建的ADP-LNPs在肝脏、肺、脾、脑和造血干细胞/祖细胞（HSPC）中实现了卓越的mRNA递送。
总结
总而言之，通过对LNP各组分（可电离脂质的头、连接子、尾，以及辅助脂质、胆固醇、PEG脂质）的理性设计和协同优化，可以精确调控其物理化学性质、体内命运和细胞相互作用机制。这为开发能够克服肿瘤异质性、基质屏障和免疫抑制性肿瘤微环境等挑战的下一代精准RNA-LNP疗法铺平了道路，展现了在癌症治疗及其他疾病领域的广阔临床转化前景。
