基于咪唑鎓脂质的纳米颗粒能够实现有效的mRNA递送并激发细胞免疫反应

《Materials Today》：Imidazolium lipid-based nanoparticles enable effective mRNA delivery and cellular immune response

【字体：大中小】 时间：2026年03月07日 来源：Materials Today 22

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　　非离子化咪唑啉脂质纳米颗粒（LNP）通过高通量筛选（1944种配方）在5种哺乳动物细胞中表现优于临床离子化系统ALC-0315，最佳配方C3 LNP在肌肉注射后实现等效治疗效果，并增强3倍卵白蛋白特异性IFN-γ+ T细胞应答，同时保持低细胞毒性。机器学习分析提炼了可迁移的设计规则，为离子化替代系统开发提供框架。

约翰霍普金斯大学纳米生物技术研究所，美国马里兰州巴尔的摩市

摘要

Imidazolium LipidBrick? 阳离子脂质纳米颗粒（LNPs）为核酸递送提供了一种与常规可电离系统无关的替代方案。通过对包含8种咪唑环核心、3种辅助脂质和不同PEG密度的1,944种配方进行高通量筛选，我们发现超过一半的配方在多种代表性的哺乳动物细胞类型中的表现优于临床可电离基准制剂ALC-0315。表现最佳的候选配方在体外以及肌肉注射后均表现出强大的细胞摄取能力、高效的内体逃逸能力和强的转基因表达能力。一种领先的配方（C3 LNP）含有带有羟乙基取代基的咪唑脂质核心和30%的DOPE，其肌肉注射后的萤光素酶表达水平和抗体滴度与ALC-0315相当，同时引发了约3倍的卵白蛋白特异性IFN-γ⁺ T细胞反应，并保持了较低的细胞毒性。通过对数据集的机器学习分析，进一步提炼出了可推广的设计规则，以指导未来的配方策略。总体而言，这些发现确立了阳离子LipidBrick? LNPs作为mRNA递送的多功能平台，为高效发现不依赖电离的系统提供了通用框架，这些系统能够有效激发适应性免疫反应。

引言

脂质纳米颗粒（LNPs）已成为核酸治疗药物递送的主要平台，这一进展得益于mRNA疫苗[1]、[2]、[3]和RNA干扰（RNAi）疗法[5]、[6]的临床成功。其有效性核心在于使用可电离脂质，这些脂质在pH值变化时会发生电荷转换，从而实现高效的细胞内递送[7]、[8]。“可电离脂质”指的是在细胞外液中保持中性，但在微酸性内体环境中获得正电荷的脂质，这种pH触发机制已成为大多数先进临床LNPs的基本设计原理。

可电离LNPs的设计需要精确调节pKa值。此外，这种脂质在不同生物环境和内体pH值或成熟动力学不典型的情况下（例如缺氧肿瘤、老化组织）可能会表现出性能差异。这些限制重新激发了对非电离、永久性阳离子LNPs的兴趣，因为它们的电荷不依赖于pH值，可以简化配方设计并扩大可用化学空间。历史上，由于担心补体激活、血清聚集和内体逃逸效果不佳，这类系统曾被忽视。

最近的研究表明，通过精细的脂质化学设计可以克服这些挑战。含有咪唑环的脂质（其中芳香咪唑环具有离域正电荷）已被证明是一种有前景的支架[9]。Lou等人用1,2-二油酰-3-三甲基铵丙烷（DOTAP）或二甲基十八烷基铵（DDA）替换了可电离的DLin–MC3–DMA，其狂犬病mRNA疫苗效果与临床基准相当；并且发现加入融合脂质1,2-二油酰-sn-3-磷酸乙醇胺（DOPE）可以增强抗原表达[10]。Di Pasqua等人通过优化DOTAP、胆固醇和PEG化脂质的比例，提高了LNPs的体外转染效率[11]。除了永久性阳离子外，Wang等人还引入了通过氢键结合RNA的中性硫脲脂质，实现了无电荷的LNPs设计，实现了针对脾脏的mRNA递送[12]。这些研究共同强调了LNPs作为基因递送载体的替代方案。

咪唑环头基团具有一系列独特的性质。据报道，芳香π-π堆叠作用和额外的氢键供体/受体可以通过调节膜裂解来促进内体逃逸[13]。然而，这类脂质的系统结构-功能关系尚未得到充分研究。LipidBrick?化学结构以其模块化的咪唑骨架和Lego风格的尾部变体为高通量探索非电离设计空间提供了理想平台。

在这里，我们筛选了近2,000种LipidBrick? LNP配方，这些配方包含了8种咪唑环核心、3种辅助脂质和多种PEG/胆固醇比例（图1）。我们找到了在五种细胞类型中表现与临床可电离LNP（ALC–0315）相当或更优的候选配方，在肌肉注射后实现了强烈的蛋白质表达，并引发了更强的抗原特异性T细胞反应。我们的结果确立了咪唑阳离子LNPs作为可电离LNPs的多功能替代品，为进一步优化提供了定量指导。

部分内容摘录

高通量筛选出具有高转基因表达能力的阳离子LipidBrick? LNP配方

为了系统评估非电离阳离子LNPs的转染效率，我们建立了一个高通量筛选（HTS）平台用于LNP配方和测试（图1a）。如前所述，HTS能够系统地探索广泛的组成空间，快速识别出表现最佳的配方[15]、[16]。通过改变四种脂质组分的摩尔比例，共制备了1,944种独特的LNP配方：

讨论

本研究挑战了“高效mRNA递送需要pH值可切换的三级胺”的传统观点。通过对近2,000种Imidazolium LipidBrick?配方在五种代表性细胞类型中的筛选，我们证明了在所有测试的细胞类型中都可以实现有效的递送。超过一半的配方在多种细胞类型中的表现优于基准可电离LNP（ALC-0315），并且在所有八种细胞类型中都出现了高活性的候选配方。

材料

LipidBrick? 阳离子脂质购自Sartorius Polyplus（法国）。1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺（DOPE）、1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DSPC）、1,2-二肉豆蔻酰-rac-甘油-3-甲氧基聚乙二醇-2000（DMG-PEG 2000）购自Avanti Polar Lipids, Inc.（美国阿尔伯克基）。胆固醇购自Sigma Aldrich（美国密苏里州）。1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺（DPYPE）购自Cayman Chemical（美国密歇根州）。编码萤火虫mRNA的

CRediT作者贡献声明

Jinghan Lin：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、方法学、研究、数据分析、概念化。Yining Zhu：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法学、研究、数据分析、概念化。Leonardo Cheng：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、研究、数据分析。Christine Wei：撰写 – 审稿与编辑、方法学、研究、数据分析