用于系统性mRNA递送至肺癌肿瘤的内源性靶向脂质纳米颗粒

《Journal of Controlled Release》：Endogenous targeting lipid nanoparticles for systemic mRNA delivery to lung cancer tumors

本研究开发新型LNPs（DC-胆固醇/113-O12B复合），通过靶向血浆vitronectin介导的肺组织特异性递送，实现肺癌内靶向蛋白表达（follistatin），显著抑制肿瘤生长并缓解癌症相关性消耗综合征，为mRNA治疗肺癌提供新策略。

尹泰国（Yoon Tae Goo）|弗拉基斯拉夫·格里戈里耶夫（Vladislav Grigoriev）|捷蒂安娜·科尔宗（Tetiana Korzun）|阿马尔·萨勒姆（Ammar Salem）|孔布拉伊拉特帕姆·希塔尔吉特·夏尔马（Kongbrailatpam Shitaljit Sharma）|普雷姆·辛格（Prem Singh）|克里斯萨·基乌西（Chrissa Kioussi）|奥莱娜·R·塔拉图拉（Olena R. Taratula）|丹尼尔·L·马克斯（Daniel L. Marks）|奥列赫·塔拉图拉（Oleh Taratula）

俄勒冈州立大学药学院药学科学系，美国俄勒冈州波特兰市穆迪大道2730号SW，邮编97201

摘要

尽管近年来针对器官的脂质纳米颗粒（LNPs）技术取得了进展，但将mRNA治疗药物系统性地递送到肺癌肿瘤中仍然具有挑战性。本研究介绍了一种新型的LNPs，该LNPs由市售的DC-胆固醇（胆固醇的阳离子衍生物）和113-O12B可电离脂质（DC_113）组成。在原位癌症模型中，这种LNPs能够在健康肺部选择性地进行mRNA翻译，并在肺肿瘤中优先表达蛋白质，相比邻近的肺组织具有更高的表达效率。通过对含有不同可电离脂质的LNPs进行分析发现，DC_113的pK_a值高于7.9，这是其与血浆中的玻连蛋白（Vtn）有效结合并靶向肺组织和肿瘤中上调的Vtn受体的关键阈值。装载了编码 follistatin（FST）mRNA的DC_113能够优先将治疗性物质递送到肿瘤中，从而显著增加FST的表达，并抑制Activin A的活性——Activin A是癌症进展和恶病质的关键驱动因素。这种优先靶向肿瘤的mRNA递送方法使肿瘤负担减少了约2.5倍，而那些具有全身性FST递送能力的LNPs则未能达到这一效果。此外，该方法还能通过改善食物摄入、维持体重以及保护肌肉和脂肪组织来有效缓解癌症恶病质，且没有不良反应。这些发现为LNPs的内源性靶向肺肿瘤提供了一种新策略，有望提升基于mRNA的肺癌治疗手段的潜力。

引言

mRNA技术的临床潜力已经通过SARS-CoV-2疫苗的成功开发得到了验证[1]。这一基础为多种疗法开辟了前景，尤其是在肺癌等侵袭性恶性肿瘤的治疗方面[2][3][4][5]。mRNA可以被设计为在肿瘤部位直接表达治疗性蛋白质，从而抑制关键的致癌信号通路、增强免疫系统对恶性细胞的识别，或缓解与癌症相关的综合征（如恶病质）[6][7][8]。然而，这些疗法在临床应用中仍面临重大障碍，因为现有的递送系统无法在全身给药后实现mRNA在肿瘤中的优先积累[9][10]。 脂质纳米颗粒（LNPs）为癌症治疗中的mRNA递送提供了一个有前景的平台[11][12]。然而，目前临床应用的含可电离脂质的LNPs主要表现出对肝脏的亲和性，这限制了它们在肺癌等肝外恶性肿瘤中的应用[13]。虽然已经探索了通过表面功能化引入靶向配体来将LNPs导向肝脏以外的组织[14][15][16][17]，但最近开发的选择性器官靶向（SORT）技术通过将额外的特殊分子整合到传统LNPs配方中提供了另一种方法[19][20][21][22][23][24]。SORT LNPs通过在血液中形成蛋白质冠层来实现组织特异性，其中SORT分子的化学结构和电荷特性决定了哪些血浆蛋白会吸附到LNPs表面[20][25]。这种内源性靶向机制利用了天然蛋白质-受体亲和力，无需外部靶向配体即可将LNPs引导至特定器官[26][27][28][29][30]。然而，内源性靶向机制在促进mRNA负载LNPs的差异性生物分布方面的潜力尚未得到充分探索，尤其是能否使其在肿瘤组织中优先积累。 玻连蛋白（Vtn）是一种血浆糖蛋白，是SORT LNPs与肺组织中表达的α_vβ₃和α_vβ₅整合素受体结合的关键成分[20][31]。值得注意的是，这些整合素在恶性转化过程中（包括肺癌细胞中）表达上调，在肿瘤血管生成、转移进展和细胞外基质重塑中起着关键作用[32][33][34]。恶性细胞与健康肺细胞之间的这种表达差异为双重靶向提供了机会：富含Vtn的蛋白质冠层可以促进LNPs在肺部的初始靶向，随后通过增强的整合素介导的内吞作用在肿瘤病变中优先积累，从而提高治疗特异性并可能减少脱靶效应。为了利用这一靶向机制，我们优化了LNPs的物理化学性质，使其能够高效结合并保留血浆中的Vtn，从而实现靶向肺肿瘤的递送，同时保持配方的简单性，无需额外的SORT分子或对可电离脂质成分进行大规模化学修饰。通过在含有市售113-O12B可电离脂质（DC_113）的LNPs中用DC-胆固醇替代胆固醇，我们实现了所需的肿瘤靶向配方[35]。研究结果表明，LNPs结构中DC-胆固醇和113-O12B可电离脂质之间的独特相互作用促进了与血浆Vtn的强结合，在健康小鼠的肺部实现了选择性mRNA翻译，并在原位癌症模型中使肿瘤中的蛋白质表达优先于周围肺组织。 我们通过实施Follistatin（FST）疗法来评估这种针对肺癌及其相关恶病质的DC_113 LNPs的效率和治疗效果。FST是一种强效的内源性Activin A（ActA）拮抗剂[36][37]，ActA是由肺癌肿瘤分泌的TGF-β（转化生长因子-β）超家族成员[38][39][40]。ActA水平的升高与肿瘤的侵袭性、转移潜能增强以及患者生存率下降相关[40][41][42]。ActA的病理效应多方面，包括促进癌细胞增殖、增强迁移和侵袭能力，以及促进细胞外基质重塑，从而促进肿瘤扩散[43][44][45]。除了直接的促肿瘤作用外，ActA还是癌症相关恶病质的关键介质[46]，这是一种严重的消耗综合征，表现为非自愿性体重下降和肌肉分解，影响高达64%的晚期恶性肿瘤患者[47]。在我们的实验模型中，通过DC_113 LNPs将FST mRNA全身递送到携带原位肺癌异种移植的小鼠体内，显著减少了肿瘤负担，并有效缓解了恶病质症状。综上所述，这些发现验证了我们开发的DC_113用于肺癌靶向mRNA递送的方法，该方法利用了体内天然蛋白质相互作用，并强调了FST作为一种同时解决肺癌原发肿瘤和继发性全身症状的有前景的治疗策略。

材料

113-O12B（四(2-(辛基二硫烷基)乙基) 3,3′,3″,3″‘-(((甲基氮杂二基)双(乙烷-2,1-二基))双(氮杂三基))四丙酸酯）、306-O12B（四(2-(辛基二硫烷基)乙基) 3,3′,3″,3″‘-(((甲基氮杂二基)双(丙烷-3,1-二基))双(氮杂三基))四丙酸酯）、U105（二(十七烷-9-基) 6,6′-((3-(双(2-羟基乙基)氨基)丙基)氮杂二基)二己酸酯）、2N12B（双(2-(辛基二硫烷基)乙基) 3,3′-((2-(甲基(3-(2-(辛基二硫烷基)乙氧基)-3-氧代丙基)氨基)乙基)氮杂二基)二丙酸酯）等

DC-胆固醇通过含有113-O12B可电离脂质的脂质纳米颗粒实现肺特异性mRNA递送

我们合成了两种不同的LNPs配方：传统的基于胆固醇的LNPs（CH_113）和经过DC-胆固醇改性的LNPs（DC_113），每种配方都包含113-O12B可电离脂质、DSPC、胆固醇或DC-胆固醇以及DSPE-PEG_2k，摩尔比为40:33.7:25:1.3（图1A）。所使用的可电离脂质113-O12B的化学结构在其中心区域含有三个三级胺基团，这些胺基团通过乙烯连接链相连，还有四个酯键连接链和四个油基碳链以及二硫键

结论

在这项研究中，我们通过在含有113-O12B可电离脂质的LNPs配方中用DC-胆固醇替代传统胆固醇，开发了一种肺特异性mRNA递送系统。结果表明，这种LNPs在全身给药后对肺组织和肺肿瘤具有极高的特异性，其靶向机制是通过DC_113与Vtn之间的体内天然蛋白质相互作用实现的。这种新方法利用了天然蛋白质冠层的特性

CRediT作者贡献声明

尹泰国（Yoon Tae Goo）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、验证、方法学、研究、数据管理、概念构思。 弗拉基斯拉夫·格里戈里耶夫（Vladislav Grigoriev）：研究、数据管理。 捷蒂安娜·科尔宗（Tetiana Korzun）：研究。 阿马尔·萨勒姆（Ammar Salem）：方法学。 孔布拉伊拉特帕姆·希塔尔吉特·夏尔马（Kongbrailatpam Shitaljit Sharma）：方法学。 普雷姆·辛格（Prem Singh）：研究。 克里斯萨·基乌西（Chrissa Kioussi）：数据管理。 奥莱娜·R·塔拉图拉（Olena R. Taratula）：研究。 丹尼尔·L·马克斯（Daniel L. Marks）：研究。 奥列赫·塔拉图拉（Oleh Taratula）：撰写 – 原稿、监督、资金获取。

利益冲突声明

D.L.M.是辉瑞公司（Pfizer, Inc.）和Alkermes, Inc.的顾问。D.L.M.还担任Endevica Bio, Inc.的首席医疗官，并持有该公司股权。其他作者均声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）下属的国家癌症研究所（National Cancer Institute）（项目编号：R01CA237569和R37CA234006）以及尤尼斯·肯尼迪·施赖弗国家儿童健康与人类发展研究所（Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development）（项目编号：R01HD101450和R01HD112007）的支持。此外，该研究还得到了韩国国家研究基金会（National Research Foundation of Korea）基础科学研究计划的支持，该计划由韩国教育部（Ministry of Education）资助（项目编号：RS-2023-00241580）。