脂質納米顆粒（LNPs）有望徹底改變以核酸為基礎的療法。雖然人們已經做出許多努力來提高LNPs中所用陽離子脂質的功效，但其安全性不容忽視。雖然陽離子脂質在遞送核酸方面很早就取得了成功，但由于存在安全風險，它們在治療方面的適用性大打折扣。通過設計具有生物相容性和生物可降解功能基團的可離子化陽離子脂質，可在這一領域取得重大進展。

 

 

具有生物相容性的可電離頭部基團

早期用于遞送核酸的脂質包括DOTAP和DOTMA1。這些脂質含有一個季銨頭基（圖1），

 

賦予脂質永久的陽離子電荷。這些脂質含有季銨頭基（圖1），賦予脂質永久的陽離子電荷2。此外，陽離子脂質與帶負電荷的生物膜不相容，會造成細胞膜破壞，導致不可接受的細胞毒性3,4。許多科學家在基于細胞的實驗中使用陽離子轉染試劑時都親身經歷過這種情況，他們不得不在目標表達（或基因敲除）和細胞毒性之間尋找一種謹慎的平衡。

 

圖1.季銨頭基與可電離叔胺頭基的比較。DOTAP是含有季銨頭基的陽離子脂質，DODAP是其可電離衍生物。

 

基于核酸的療法的一個重大進步是發現可電離的陽離子脂質避免了不良的細胞毒性。這些脂質在頭基中含有一種或多種pH響應性可電離叔胺，僅當pH值低于酸堿解離常數(pKa)時才獲得陽離子電荷5-8。這種瞬時陽離子電荷有助于在LNP配制過程中在酸性條件下封裝帶負電荷的核酸治療劑，并通過內體的低pH值釋放它。在中性pH(~7)下，可電離的陽離子脂質的電荷接近于零，從而提高了穩定性并避免了使用陽離子脂質配制的LNP觀察到的細胞毒性9。

 

酯鍵的生物降解性

通過在連接基團中摻入酯或嵌入脂質尾部以提高生物降解性，實現了基于核酸的治療劑遞送的又一進步7。已觀察到某些陽離子和可電離陽離子脂質具有較長的組織半衰期，這可能會導致給藥后的局部和全身不良反應10,11。因此，可生物降解的脂質可以避免脂質積累和不良細胞毒性，因為它們會被迅速消除9。
 

酯和醚連接基團是最先研究的連接基團之一1。醚連接基團被發現非常有效且穩定，但不可生物降解。因此，它們通常比基于酯的對應物具有更強的細胞毒性。用酯基團取代醚基團可提高脂質的生物降解性。酯在生理pH值下（例如LNP在體內分布期間）穩定，但在細胞中經過酶水解，形成親水產物，并迅速消除，限制組織積累5,7。酯是新型可電離脂質中反復出現的結構主題，表明生物降解性是新型可電離陽離子脂質設計的關鍵特征。
 

DLin-MC3-DMA是DLin-DMA的含酯衍生物，是Patisiran中的可電離陽離子脂質成分，Patisiran是首個獲得FDA批準的LNP制劑（圖2）2。它已被用作設計新型含酯可電離陽離子脂質（如SM-102、脂質5和L-319）的基準，這些脂質具有更好的組織藥代動力學和生物降解性8,10,11。

 

圖2.用酯類基團取代DLin-DMA中的醚類基團可生成DLin-MC3-DMA。

 

DLin-MC3-DMA是帕替西蘭中使用的可離子化陽離子脂質，patisiran是首個獲得FDA批準的LNP制劑。

 

用于生物還原性的二硫鍵

在新型可電離陽離子脂質的連接體和/或疏水尾部加入可生物還原的二硫鍵是一種新興技術7。由于還原型谷胱甘肽（GSH）在細胞質中濃度很高，因此細胞內環境具有高度還原性12�？呻婋x陽離子脂質中的二硫鍵與GSH發生二硫交換，導致二硫鍵降解，核酸貨物釋放到細胞質中。使用可生物還原的脂質可加速核酸的釋放，從而提高向細胞質輸送核酸的效率，從而增強給藥LNP的效力。這樣，就可以避免使用大量的RNA，因為RNA既昂貴又可能產生免疫原性。

 

在脂質設計中整合多種環境響應特性

兩類可離子化陽離子脂質整合了pH響應頭基、可生物降解酯和可生物還原的二硫鍵。SS可溶解和pH活性（也稱質子活性）類脂質材料（ssPalms）具有疏水支架，可將貨物運送到目標組織和亞細胞位置13。這些支架包括肉豆蔻酸(ssPalmM)、油酸(ssPalmO)、維生素A(ssPalmA)和維生素E(ssPalmE)以及經結構修飾的衍生物，如ssPalmO-Phe14。O系列（其中O表示酯連接基）的一個子集可電離陽離子脂質也含有可生物還原的二硫鍵。這些脂質按以下方案命名：R-OXB，其中R是胺頭的身份，X代表疏水尾部的長度，B代表可生物還原的二硫鍵（圖3）15。例如，306-O12B是一種具有12個碳原子尾部、以胺306為頭部基團的可生物還原脂質。

 

圖3.O系列脂質命名法以306-O12B為例。O系列可電離陽離子脂質的胺頭基團的結構特征可以在Li等人的文獻中找到。

 

有趣的是，兩種脂質類別都可以針對特定組織、細胞和/或亞細胞位置進行定制，包括眾所周知的困難目標。ssPalmA使用維生素A支架通過細胞視黃酸結合蛋白II(CRABPII)將pDNA靶向細胞核16。NT1-O14B利用基于色胺的頭基使LNP能夠穿過血腦屏障，而血腦屏障是向大腦輸送小分子抑制劑和基于RNA的治療藥物的主要障礙17。通過這種方法，用NT1-O14B和306-O12B配制的LNP可將針對tau蛋白的反義寡核苷酸(ASO)遞送至小鼠大腦，為治療阿爾茨海默病和其他神經退行性疾病開辟了一種有趣的策略。
 

其他可離子化的陽離子脂質已被證明可在新型抗癌方法中靶向組織18。BAMPA-O16B配制的LNPs載有靶向CD47和程序性細胞死亡蛋白配體1(PD-L1)的siRNA，可以穿過血腦屏障，減少腫瘤生長，提高多形性膠質母細胞瘤（一種侵襲性腦癌，預后較差）小鼠模型的存活率。用113-O12B配制的LNP在小鼠淋巴結中特異性積累19。在小鼠黑色素瘤模型中，含有113-O12B并封裝有mRNA癌癥疫苗的LNPs能增加腫瘤CD8+T細胞和活化樹突狀細胞的數量。因此，利用LNPs的多種用途和組織靶向能力，有可能開發出下一代療法和疫苗。

 

合理和組合設計方法

合理設計和組合設計方法將繼續推動可離子化陽離子脂質的發展。理想的可離子化陽離子脂質應實現結構特征與功能基團的完美結合，從而兼顧安全性和有效性�？呻x子化陽離子脂質可以建立一些基本的結構-活性關系，戰略性地選擇功能基團（如維生素A、色胺基頭部基團）可以提高其功效。綜上所述，在合成新的可離子化陽離子脂質時，可以采用合理的設計方法。然而，可離子化陽離子脂質之間的大多數結構-活性關系很難一概而論。每種成分都會影響脂質的整體行為，脂質結構的細微變化會帶來巨大的功能差異。因此，另一種方法是合成化學性質不同的大型組合脂質庫，然后通過高通量篩選方法評估其活性，以確定主要候選物。

 

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