由肽驱动的纳米颗粒将mRNA传递到神经元中

在最近发表在 Nano Letters 的一项研究中，研究人员展示了肽——氨基酸的短链——如何作为精确的靶向剂，使 LNPs 能够将 mRNA 直接输送到脑血管内皮细胞以及神经元。

这是确保 mRNA 被传递到正确细胞类型以治疗神经退行性疾病的重要一步，因为成功的治疗需要 mRNA 到达特定位置。这些科学家早前进行的研究表明，LNPs 可以跨越 BBB 并将 mRNA 输送到大脑，但并未控制 LNPs 被定向到具体的细胞。

“我们最初的出版物是对脂质纳米颗粒的一种概念验证设计，”生物工程系副教授、论文的高级作者迈克尔·J·米切尔解释道。“这就像展示我们能够将包裹从宾夕法尼亚邮寄到加利福尼亚，但我们不知道包裹最终会到达加利福尼亚的哪个地方。现在，借助肽，我们可以将包裹定向到具有共同特征的特定目的地，例如每个有红色邮箱的房子。”

进入大脑的挑战

血脑屏障的结构设计旨在阻挡几乎所有有害或外来物质，包括许多药物，因此跨越它是具有挑战性的；mRNA 分子和许多药物一样，体积过大而无法通过。此外，血脑屏障还会主动去除它认为不安全的物质。

“你可以直接将治疗注射到大脑或脊柱，但这些方法都是高度侵入性的，”米切尔实验室的博士生艾米莉·汉表示。

由于 BBB 允许脂溶性化合物（如影响大脑的酒精和 THC）进入，因此某些 LNPs 配方——部分由常见油中发现的同类型脂肪物质构成——能够渗透到大脑。

肽与抗体

直到最近，大多数关于用 LNPs 靶向特定器官的研究都集中于将它们与抗体结合——抗体是像生物标签一样的大型蛋白质。“当抗体附着到 LNPs 上时，它们可能会变得不稳定并增大，从而使它们难以通过屏障，”汉指出。

相反，肽仅由几十个氨基酸组成，而抗体则由数百个组成，因此肽的体积显著更小。这个小尺寸不仅使得将大量肽附着到 LNPs 上变得更容易，而且降低了生产成本。此外，肽在 LNP 制备过程中不易聚集或引发不希望的免疫系统反应。

利用肽的想法出现在汉与一只意外进入她房间的蝙蝠相遇后，这可能让她暴露于狂犬病之中。在调查她接种的狂犬病疫苗时，汉发现狂犬病毒利用狂犬病毒糖蛋白跨越 BBB。“那时我发现了我们最有前景的靶向肽之一，”汉说，这种肽被称为 RVG29，是该蛋白质中29个氨基酸的片段。

测试概念

为了确保肽正常工作，研究人员首先必须确认它们附着在 LNPs 上。“我们的 LNPs 由复杂的核酸、脂质和肽的混合物组成，”汉解释说。“我们需要优化我们的定量方法，以从其他所有成分中分离出肽。”

在确认肽与 LNPs 结合后，研究人员接着希望验证功能化 LNPs（pLNPs）是否确实到达它们在动物模型中的预定靶标。“这相当复杂，”汉承认，“因为大脑中有大量细胞类型和脂肪，这可能会干扰测量。”汉在超过六个月的时间里，尽心开发了一种仔细分析脑组织的方法，类似于机械师拆解引擎。

未来方向

团队的下一个目标是找出需要用 pLNPs 治疗多少比例的神经元才能显著缓解症状或治愈神经疾病。“回到我们早期的类比，我们需要将这些输送到每个有红色邮箱的房子，还是只需要 10% 的房子？治疗 10% 的神经元就足够吗？”米切尔思考道。

找到这个问题的答案对于开发更高效的输送方法至关重要，从而将 mRNA 基础的阿尔茨海默病、帕金森病及其他大脑疾病的疗法的可能性拉得更近。

这项研究是在宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院进行的，并得到了美国国家卫生研究院（DP2 TR002776）、布罗赫斯·威尔康基金、美国国家科学基金会（CBET-2145491）和美国癌症学会（RSG-22-122-01-ET）的支持。

其他共同作者包括来自宾夕法尼亚大学工程学院的索非亚·唐、金东玟、阿曼达·M·穆雷、凯尔西·L·斯温格尔、亚历克斯·G·汉密尔顿、凯特琳·姆克希奇、马歇尔·S·帕迪利亚和杰奎琳·李，以及来自宾夕法尼亚大学工程学院和费城儿童医院的罗汉·帕兰基。