肥胖症及其相关代谢综合征（如非酒精性脂肪肝、胰岛素抵抗等）已成为全球重要公共卫生问题，并与心血管疾病等多系统并发症密切相关。近年来，靶向后脑GFRAL受体的生长分化因子15（GDF15）在抑制食欲与调控能量代谢方面显示出明确潜力，相关药物开发受到广泛关注。然而，天然GDF15在体内易受蛋白酶降解及泛素化清除，导致半衰期较短、作用持续性不足，需要频繁给药，从而限制其临床转化应用。因此，开发能够延长体内作用时间并提高给药依从性的长效递送策略，成为该领域的重要研究方向。
近日，山西医科大学卞伟教授联合优环生物创始人戴东升及广州大学陈鲲教授于Journal of Controlled Release发表研究成果：Preclinical efficacy of engineered CircRNA-GDF15@LNP for sustained weight loss and metabolic regulation in diet-induced obese mice。
该研究构建了一种基于环状RNA（circRNA）与脂质纳米颗粒（LNP）的递送体系，通过蛋白质工程引入糖基化修饰并对关键泛素化位点进行突变，获得高稳定性的GDF15突变体（GDF15-MT）。静脉给药后，LNP可高效靶向肝脏，使肝细胞持续表达并分泌GDF15-MT。在饮食诱导肥胖小鼠模型中，该系统在较低给药频率下仍可实现稳定的体重下降、血糖改善及脂肪肝缓解，显示出其在代谢性疾病长效干预中的应用潜力。
GDF15突变体的设计与验证
为提升GDF15的体内稳定性与半衰期，研究通过引入糖基化基序掩盖裂解位点，并突变K265、K287和K303以降低泛素化水平。结果显示，GDF15-MT在保留生物学活性的同时，其前体与成熟蛋白表达量分别提高7.8倍和13.63倍，且体外血清中降解显著减缓。药代动力学分析表明，CircGDF15@LNP给药后GDF15-MT半衰期延长至4.703天，较野生型（2.798天）明显增加。
图1. 稳定型GDF15突变体的工程化设计与功能验证
circRNA与mRNA的构建及验证
基于circRNA表达体系，研究团队构建5种重组质粒（CircGDF15 WT/MT、mGDF15 MT及对照CircEGFP、CircLuciferase），并通过TIE环化平台制备circRNA。通过优化GDF15编码序列，提高密码子适配性并降低RNA结构自由能与结构熵，从而提升表达效率与稳定性。工艺验证显示，CircEGFP环化效率超过70%，经多步纯化后RP-HPLC纯度达90.92%，杂质主要为断裂但序列完整的circRNA。RNase R实验表明，circRNA较Cap1 mRNA具有更强的核酸酶抗性与结构稳定性。
图2. CircGDF15与mGDF15的构建及体外表达动力学
CircGDF15@LNP递送与肝靶向优化
基于LNP递送体系，研究筛选Lipid 5作为核心组分，并优化关键制备参数以提升肝靶向递送效率并降低非靶向分布。优化后制备的CircGDF15@LNP粒径小于90 nm，PDI为0.15，包封率超过90%。稳定性结果显示其在4°C下2周内保持稳定，随后粒径明显增大，因此后续实验均采用2周内新鲜制备LNP。体内分布及免疫荧光结果表明，该体系具有良好的肝靶向性，并可有效介导GDF15在靶细胞中表达，对照组未见明显信号。
图3. CircGDF15@LNP的制备及体内药代动力学特征
CircGDF15@LNP与mGDF15@LNP的表达及药代动力学比较
研究团队对CircGDF15@LNP与mGDF15@LNP的表达动力学及药代特征进行了比较分析。体外结果显示，mGDF15在第1天达峰后迅速下降，而CircGDF15于第3天达峰，并在第7天仍维持较稳定表达；其累计表达量更高，细胞内半衰期延长（2.81天 vs 1.62天）。
体内结果表明，CircGDF15@LNP在双周给药下即可维持稳定血清暴露，并呈剂量依赖性增加；而mGDF15@LNP下降更快，需要更高给药频率维持有效水平。总体来看，在相同剂量下CircGDF15@LNP表现出更优或相当的暴露水平，但给药频率更低，体现出更优的长效表达特性。
图4. CircGDF15@LNP与mGDF15@LNP的体内外表达动态比较
CircGDF15@LNP的持续减重与脂肪减少作用
在高脂饮食诱导的肥胖C57BL/6J小鼠模型中，研究团队分别给予CircGDF15@LNP与mGDF15@LNP干预，持续4周，并对其减重及代谢效应进行系统比较。
结果显示，mGDF15@LNP首次给药后虽出现快速减重，但随后迅速反弹，至第14天基本恢复基线，提示作用持续性较差且需提高给药频率。相比之下，CircGDF15@LNP在14天内呈持续平稳减重，无明显反弹，给药间隔可维持在两周一次。
终点分析显示，各组均显著减重，其中CircGDF15@LNP 1.0 mg/kg减重最明显（22.82%）。不同剂量CircGDF15@LNP与mGDF15@LNP 0.5 mg/kg总体减重幅度相近，但前者过程更稳定。
体成分分析表明，减重主要来源于脂肪减少，在多种脂肪库中均明显下降，最高脂肪含量减少达57.54%。
上述结果表明，CircGDF15@LNP在低频给药条件下即可实现稳定持续减重，并显著减少脂肪沉积，表现出优于mGDF15@LNP的长期药效稳定性。
图5. CircGDF15@LNP在肥胖小鼠中诱导持续减重与脂肪减少
CircGDF15@LNP调控摄食并改善代谢功能
在分子与行为学层面，研究团队对CircGDF15@LNP在高脂饮食条件下的摄食调控及代谢改善作用进行了系统评估。Western blot结果显示，GDF15可激活p-AMPK/AMPK、p-ERK/ERK及p-AKT/AKT通路，提示其参与能量代谢调控。在高脂饮食条件下，GDF15显著降低小鼠摄食欲望，其中0.5 mg/kg时CircGDF15组长期抑制率（7.12%）高于mGDF15组（4.15%），且在调整给药频率后两者效果趋近，表明CircRNA平台在低频给药下仍能维持稳定作用。
代谢功能方面，GTT与ITT结果显示各组均显著改善葡萄糖耐量与胰岛素敏感性，其中CircGDF15@LNP 1.0 mg/kg组改善最明显（GTT-AUC下降54.96%）。随机血糖结果进一步证实4周后各组血糖均下降，且CircGDF15@LNP降幅更突出。
结果表明，CircGDF15@LNP可同时抑制摄食并改善葡萄糖代谢与胰岛素抵抗，恢复代谢稳态。
图6. CircGDF15@LNP抑制高脂饮食摄入并改善葡萄糖代谢
CircGDF15@LNP通过AMPK/PPAR通路改善脂质代谢
研究团队在脂质代谢与炎症相关机制分析中，进一步评估了CircGDF15@LNP的作用效果。机制上，GDF15通过激活AMPK及PPARα/γ通路促进脂肪酸氧化，并在肝脏及棕色脂肪组织中上调相关代谢基因，同时下调TNF-α与IL-6表达，提示其具有抗炎作用。
血脂分析显示，各GDF15处理组均显著降低TC、TG及LDL-C水平，其中CircGDF15@LNP 0.5–1.0 mg/kg组改善更明显，整体血脂接近正常饮食水平。
总体而言，CircGDF15@LNP可通过调控AMPK/PPAR信号轴改善脂质代谢并减轻肝脏炎症，从而提升整体代谢稳态。
图7. CircGDF15@LNP通过AMPK/PPAR轴改善脂质代谢并抑制炎症
CircGDF15@LNP促进脂肪产热与能量代谢
在组织学与免疫组化层面，研究团队进一步评估了CircGDF15@LNP对肝脏及脂肪组织的影响。结果显示，各处理组脂肪细胞体积显著减小，肝脂肪变性明显改善，提示脂质氧化与脂解增强。
同时，UCP-1在多脂肪组织中显著上调，呈剂量依赖性，其中CircGDF15@LNP 1.0 mg/kg作用最明显，棕色脂肪及白色脂肪均出现明显“褐变”趋势。总体而言，CircGDF15@LNP通过促进脂肪褐变与产热激活，提高能量消耗与脂质代谢能力，从而改善全身代谢状态。
图8. CircGDF15@LNP促进脂肪组织褐变与产热激活
CircGDF15@LNP安全性评价
研究团队在组织学、血生化及炎症指标层面，对CircGDF15@LNP的安全性进行了系统评估。结果显示，各主要脏器未见明显结构损伤，整体形态正常。与对照组相比，肾脏脂滴沉积及肝细胞水肿有所减轻，未见明显心、脾异常。肺组织在各组均观察到轻度肺泡壁增厚，但在高脂饮食模型中亦可出现，提示可能与模型本身相关而非材料毒性。
肝功能指标ALT与AST在各组间无显著差异，提示未造成明显肝损伤。炎症因子分析显示，GDF15@LNP可降低TNF-α并下调IL-6水平。结果表明，CircGDF15@LNP未表现出明显器官毒性，并具有一定抗炎作用，安全性良好。
图9. CircGDF15@LNP在肥胖小鼠中的安全性评价
总结
本研究构建了circRNA、蛋白质工程与LNP递送相结合的CircGDF15@LNP平台，通过提升GDF15-MT稳定性并实现肝脏靶向表达，获得长效蛋白释放能力。该体系在动物模型中可在低给药频率下持续改善代谢表型，包括抑制食欲、减轻体重及改善胰岛素敏感性和脂肪肝，为长效减重及代谢性疾病治疗提供了一种具有转化潜力的递送策略。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168365926005201?via%3Dihub