脂质纳米颗粒(LNP)等基于脂质纳米载体在递送mRNA方面显示出巨大的潜力,在临床中具有安全性和有效性。然而,研究表明LNP系统可能会引起高度炎症和明显的副作用,并且运输和储存的稳定性较低。[1,2]在尾部引入酯和二硫键等可降解基团有助于脂质的快速代谢清除,从而提高耐受性和安全性。[3,4]同时,分枝尾和多胺头被发现有利于mRNA和可电离脂质的相互作用,从而稳定LNP。[5,6]
2025年1月9日,苏州大学联合苏州科锐迈德生物医药科技有限公司研究团队在ACS Appl Mater Interfaces上发表研究论文:Circular mRNA Vaccine against SARS-COV-2 Variants Enabled by Degradable Lipid Nanoparticles。
研究开发了一种新的mRNA疫苗(cmRNA-1130),由一种新的可生物降解的AX4-LNP和cmRNA编码Delta RBD三聚体形成,用于对抗SARS-CoV-2 Delta变体。
cmRNA-1130特点:
① AX4脂质具有4个支尾和8个酯键,有利于内体逃逸和mRNA释放,最终降解LNP;
② cmRNA呈现高稳定性和高效持久的各种蛋白质表达;
③ cmRNA-1130可诱导有效且持续的针对Delta SARS-CoV-2的抗体,且无明显副作用;
④ cmRNA-1130在小鼠中诱导了显著的刺突特异性TH1偏向性T细胞反应,从而增强了对Delta SARS-CoV-2的保护;
⑤ cmRNA-1130表现出色的稳定性,在4°C和多次冻融循环下保存6个月后仍保持有效,有利于mRNA疫苗的储存和运输。因此,结合可生物降解的AX4-LNP和稳定的cmRNA的mRNA疫苗成为一种安全有效的保护措施,可预防各种COVID-19病毒变体。
设计并合成可降解脂质
将可降解的连接物如酯键结合到脂质尾部,可以降低免疫原性,促进mRNA释放,并改善mRNA表达。此外,有报道称尾部支化的脂质可以加速它们从核内体中逃逸。[7,8]
研究通过Michael加成反应合成一系列具有多个酯键的可电离脂质,利用1H NMR光谱验证结构。将这些可电离脂质与辅助脂质、胆固醇、DSC和DMG-PEG一起配制成LNP,并保持与商用Dlin-MC3-DMA脂质(MC3)相同的摩尔组成和氮磷比(N/P)进行RNA包封。其中,AX4-LNP与商业化ALC0315-LNP和SM102-LNP相比,在IM给药后诱导的蛋白表达相似,展现最有效的mRNA递送效果。(图1)
图1 体内筛选脂质用于mRNA递送。
脂质尾部和结构的影响
研究进一步发现,脂质的尾部结构对mRNA表达有显著影响,AX4脂质(含有四个分支尾部)比AX4-2和AX4-3(分别含有两个和三个分支尾部)显示出更高的蛋白表达水平。(图2)
图2 体内筛选具有不同数量X4和不同连接体的脂质用于mRNA递送。
验证体内递送效果和安全性
研究评估结果表明AX4-LNP在体内主要为肝脏靶向性(图3)。采用LC-MS/MS法检测AX4-LNP在肝脏和脾脏中的代谢。与MC3-LNP相比,静脉给药后,AX4-LNP在肝脏和脾脏的降解速率要快得多(图4)。此外,接种mRNA疫苗的小鼠无明显的免疫反应和明显的体重变化,进一步证实了其显著的生物相容性。
图3 IM或静脉注射后Fluc cmRNA-AX4-LNP的体内生物分布和蛋白表达。
图4 AX4-LNP的理化、代谢和生物相容性。
制备环状mRNA
研究将野生型SARS-Cov-2 Spike的RBD(残基Arg319−Phe541)与T4纤维蛋白(折叠蛋白)融合,通过柔性GS连接体连接形成三聚体结构(图5a)。为了分泌这种抗原,使用了一种工程化的信号肽secrecon。
研究利用利用包含鱼腥藻PIE系统、Echovirus 29 IRES、间隔区、同源臂和蛋白质编码区的框架编码Delta RBD三聚体(图5c)。体外转录后环化生成cmRNA。并利用制备型HPLC-SEC纯化,产率76%(图5d),环化效率为83%,纯度为89.35%。
图5 设计与制备编码Delta RBD三聚体的cmRNA。
cmRNA-1130有效性
在BALB/c小鼠中进一步评价编码T4 fibritin工程Delta RBD三聚体的cmRNA-1130疫苗的免疫原性和有效性。在小鼠中接种两剂cmRNA-1130可诱导高水平和持久的抗SARS-COV -2NAb,对Delta和其他假病毒变体具有很强的中和活性,并且Delta RBD三聚体诱导的NAb足以阻断假病毒全长刺突介导的细胞转导。cmRNA-1130可以激活Delta RBD/刺突蛋白特异性T细胞,诱导小鼠Th1型特异性T细胞免疫应答。总之,cmRNA-1130可诱导强体液免疫和细胞免疫。(图6)
图6 cmRNA-1130在BALB/c小鼠体内的免疫作用。
cmRNA-1130稳定性
cmRNA-1130在4°C持续6个月以及25°C和37°C持续7天后,大小变化、mRNA泄漏和包封率(EE)变化极小。此外,cmRNA-1130能够承受反复冻融过程,在6次冻融循环后,其大小和mRNA包封无明显变化,表现出显著的稳定性。重要的是,cmRNA-1130在4°C下储存6个月或反复冷冻和解冻6次后,在接种后第14天仍显示出与新鲜疫苗相当的NAb水平。cmRNA-1130优越的稳定性有利于mRNA疫苗的有效性和冷链运输。
总结
研究开发了一种新的SARS-Cov-2 Delta变体疫苗(cmRNA-1130),其中编码Delta受体结合域(RBD)三聚体抗原的环状mRNA(cmRNA)由一种新的可生物降解LNP包封。AX4在体内的快速代谢特性可以降低潜在的全身毒性。Delta RBD cmRNA在小鼠体内的成功递送诱导了针对多种变体的强大的中和抗体(NAb)和强烈的T细胞反应。此外,由AX4形成的纳米颗粒在肝脏和脾脏中的代谢速度远快于MC3脂质,相应的疫苗可以在4℃下保存6个月以上。总之,研究表明cmRNA-1130作为直接阻断流行性疾病的预防性疫苗具有巨大的临床潜力。
原文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c20770
参考文献
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