《Nature Biomedical Engineering》：‘Tripod-like’ lung-targeting (LuT) lipids for highly efficient and selective LNPs for gene delivery and editing
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本刊推荐一项开创性研究：为攻克肺部疾病基因疗法递送效率低、靶向性差的难题，研究团队通过系统性合成与筛选444种肺靶向（LuT）脂质，揭示了“三足”状脂质结构与肺靶向性能的构效关系。所得最优脂质纳米颗粒（LNP）在mRNA递送和CRISPR-Cas9基因编辑效率上，分别较传统DOTAP SORT LNP提升25.5倍与9.2倍，并展现出>90%的肺靶向选择性，为治疗遗传性呼吸疾病、纤维化、癌症等肺相关疾病提供了强大工具。
肺部是人体的呼吸中枢，也是多种致命疾病的“战场”，从囊性纤维化、肺癌到急性肺损伤。科学家们梦想将基因药物——如可编码治疗性蛋白的信使RNA（mRNA）或可精准修正错误基因的“基因剪刀”CRISPR-Cas9——直接、高效地送达肺部细胞，从根源上治疗疾病。然而，实现这一梦想的道路上横亘着两大难关：一是如何让承载药物的“运输车”在复杂的血液循环中精准识别并停靠于肺部，而非被肝脏等其他器官“截胡”；二是如何提高“运输车”进入细胞后的“卸货”效率。尽管选择性器官靶向（SORT）技术提供了一种思路，但此前可用于肺靶向的阳离子脂质种类极为有限，且其结构与活性之间的关系模糊不清，严重制约了递送效率与安全性的进一步提升。
为了突破这些瓶颈，并系统探索脂质化学结构与肺靶向性能之间的奥秘，一个研究团队在《Nature Biomedical Engineering》上发表了他们的重磅成果。他们开展了一项规模浩大的“脂质探险”，旨在从海量新分子中，找到那把能打开肺靶向高效递送之门的“金钥匙”。
研究人员综合运用了组合化学合成、体内高通量筛选、蛋白质组学及多种细胞分子生物学技术。他们通过一步法组合胺与烷基/烯基溴化物，高效合成了包含444个成员的季铵盐脂质库。利用tdTomato报告基因小鼠模型和生物发光成像，在体内高通量评估了这些脂质形成的LNP递送mRNA和Cre重组酶的效率。通过流式细胞术分析了不同LNP在肺内皮细胞、上皮细胞和免疫细胞中的转染特异性。采用荧光共振能量转移（FRET）实验和蛋白质组学（质谱）分析，分别探究了LNP促进内体逃逸的机制及其与血浆蛋白（形成“蛋白冠”）的相互作用。最后，在急性肺损伤小鼠模型中验证了先导LNP递送IL-10 mRNA的治疗效果。
研究结果
设计、合成与评估首个LuT脂质库（318个脂质）
研究人员首先合成了由46种胺头和7种烷基溴尾组合而成的318个脂质库。通过将其与辅助脂质复配成LNP并静脉注射给小鼠，他们发现脂质的烷基尾长度是决定器官趋向性的关键：尾链长度达到约16个碳（B5）及以上时，LNP的递送从肝脏为主转向以肺部为主。胺头结构的影响相对次要，但含有羟基、芳香环或增加头基正电荷数量并未改善肺靶向性能。
理性设计与评估第二个LuT脂质库（126个脂质）鉴定出用于高效肺靶向递送的最佳脂质
在认识到脂尾的关键作用后，第二个脂质库重点引入了尾部结构的变异，包括更长的链、支链结构、可降解的酯键以及不同位置和数量的不饱和键。构效关系分析表明，引入支链结构和增加不饱和度能提升性能，而酯键的位置至关重要：当酯键过于靠近季铵氮原子（少于三个碳原子）时，会损害肺递送效率。从两个库中筛选出的25个顶级脂质，其mRNA介导的肺部蛋白表达相比基准DOTAP SORT LNP提升超过10倍。分析发现，这些顶级脂质大多具有独特的“三足”状结构：一个季铵盐头、三个长烷基链作为“支脚”、一个短链（通常是甲基）作为“把手”。计算脂水分配系数（clogP）与肺靶向选择性呈显著正相关。
顶级LuT LNP展现出卓越的肺特异性递送效能及在不同肺细胞类型中出色的Cre介导的重组
利用Cre-LoxP报告基因小鼠模型，研究人员从25个候选脂质中进一步鉴定出7个顶级LuT LNP。这些LNP在递送Cre mRNA时，诱导的肺部总荧光信号是DOTAP LNP的3.2至5.9倍，且75-90%的信号分布在肺部。在递送荧光素酶（Luc）mRNA时，顶级LuT LNP的肺部信号提升高达25.5倍，肺靶向选择性超过95%。剂量反应实验表明，在达到相同荧光素酶表达水平时，DOTAP LNP所需的mRNA剂量约为1A7B13 LNP的十倍。流式细胞术分析显示，这些LuT LNP能高效转染肺部内皮细胞（约80-90%）、上皮细胞（40-50%）和免疫细胞（约25%）。其中，先导1A7B13 LNP在上皮细胞中转染效率最高，而1A8B25 LNP则倾向于转染更多免疫细胞。
LuT分子促进内体逃逸并通过与特定血浆蛋白相互作用优化肺靶向递送
机制研究表明，顶级LuT LNP与内体模拟脂质体的膜融合和分解能力均强于DOTAP LNP，表明其“三足”状锥形结构（相对于DOTAP的圆柱形结构）更有利于促进膜 hexagonal 相形成，从而增强内体逃逸和货物释放。蛋白质冠分析显示，LuT LNP能特异性吸附更多玻连蛋白（vitronectin），其含量可达DOTAP LNP的4倍。玻连蛋白可通过其受体αvβ3-整合素介导内源性肺靶向。安全性评估显示，1A7B13 LNP在有效剂量下未引起可观测的血栓形成或明显的肝、肾毒性。
LuT LNP介导增强的肺特异性CRISPR-Cas9基因编辑并具有治疗急性肺损伤的潜力
在基因编辑应用中，1A7B13 LNP共递送Cas9 mRNA和sgRNA，在报告基因（tdTomato）和内生基因（PTEN）编辑中，均展现出远超DOTAP LNP的效率。对PTEN的编辑效率达到20.23%，是DOTAP LNP（2.20%）的9.2倍，并在肺内皮、上皮和免疫细胞中均实现了广泛编辑。在治疗应用方面，1A7B13 LNP递送白细胞介素-10（IL-10）mRNA，能有效缓解脂多糖（LPS）诱导的急性肺损伤（ALI）模型中的体重减轻、肺部炎症浸润、通透性增加及促炎因子（TNF, IL-1β, IL-6）表达，展现了显著的治疗效果。
研究结论与意义
本研究通过大规模、系统性的脂质设计、合成与筛选，成功将肺靶向LNP的递送效率和特异性提升到了一个新高度。其核心发现是，具有“三足”状独特结构的LuT脂质，是实现高效、高选择性肺靶向的关键。这种结构不仅通过促进内体逃逸来增强细胞内递送效率，还能通过塑造特定的蛋白质冠（富含玻连蛋白）来引导LNP在体内精准导航至肺部。
该研究极大地扩充了肺靶向递送的工具箱，为基于mRNA的蛋白替代疗法和CRISPR-Cas9基因校正疗法治疗多种肺部疾病（如遗传性呼吸疾病、感染、纤维化、癌症和急性肺损伤）提供了强有力的新型载体。研究揭示的脂质化学结构与体内性能之间清晰的构效关系，为未来理性设计更优的靶向载体提供了宝贵指南。先导分子1A7B13在低剂量下实现高效递送的能力，也有助于降低潜在毒性，推动其向临床应用的转化。尽管仍需在大型动物模型中进一步评估其重复给药安全性与长期效应，但这项研究无疑为肺部基因医学的未来开辟了一条充满希望的新途径。
