【JACS】双磷酸类脂-递送mRNA至骨微环境.docx

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1、【JACS】双磷酸类脂-递送mRNA至骨微环由骨细胞、造血和免疫细胞、成纤维细胞、基质细胞、内皮细胞以及具有丰富生长/信号因子的细胞外基质(ECM)组成的骨微环境是一个独特的、高度动态的区域。这些各种各样的细胞类型和ECM蛋白能够协调骨骼重塑、造血、免疫功能调节和组织再生。近年来，骨质疏松、骨关节炎、骨髓炎和骨癌等各种骨骼疾病和与年龄相关的骨骼异常发病率的增加，这激发了人们对新型骨微环境靶向生物材料的研究。然而，与其他器官相比，骨微环境的各种特征，包括血液流量和血管化减少、血液骨髓屏障、灌注不良、高度密集的层次结构、药物和骨矿物质之间的亲和力低，为成功递送治疗药物到骨头造成不少挑战。目前，有机

2、/无机纳米复合材料和水凝胶已被开发用于靶向和局部输送治疗药物至骨微环境，如抗生素、生长因子、抗炎分子、抗癌制剂和激素等。然而，这些材料的传递效率较低，需要高剂量才能在病变部位达到理想的治疗剂量和长期的生物利用度，但也增加了严重副作用的发生率。这些局限性表明需要有效和安全的治疗方法来将药物靶向输送到骨微环境。一类对骨传递特别有吸引力的治疗方法是核酸疗法，它通过传递外源性核酸来调控靶向部位的治疗性基因表达，以治疗疾病。目前，临床上领先的RNA治疗非病毒载体是脂质纳米颗粒(LNPs),它是一种由电离脂质、胆固醇、磷脂和聚乙二醇(PEG)脂质组成的四组分配方，已经用于Alnylam制药公司的siRNA

3、治疗ONPATTRO,以及辉瑞BioNTech和Moderna公司生产的COVID-19 mRNA疫苗。最近，一些靶向谷微环境的核酸递送材料被报道。例如，LNPs封装的siRNA被递送到骨髓细胞，以沉默炎性单核细胞和内皮细胞中的基因，选择性地抑制这些细胞及其后代的迁移。尽管取得了一些进展，但被动扩散LNPs将mRNA特异地递送到骨微环境仍然极具挑战性性。因此，开发一种靶向LNP技术，将mRNA传递到骨中，这是一个亟待解决的问题。先前的研究表明，配体修饰是一种很有前途的靶向LNP mRNA治疗的给药方法;例如，Peer和同事证明，通过将泛白细胞选择性靶向配体修饰到LNPs上，初级淋巴细胞可以被有

4、效抑制。因此，类似的结合骨亲和力配体的方法可以增强LNPs在骨微环境中的靶向和积累。在各种目标配体，双瞬酸盐（BP）,如阿仑瞬酸盐（alendronate）,是无机焦磷酸盐的类似物，与骨的主要无机成分羟基磷灰石（HA）的钙离子（Ca2+）有很强的螯合作用，使得双瞬酸盐在骨表面具有很强的亲和力和快速吸附。在给予BP-LNPs后，LNP表面的骨靶向配体与HA之间的强相互作用可以改善LNPs在骨微环境中的滞留和积累。近日，宾夕法尼亚大学生物工程系Michael J. Mitchel I教授团队报道了 一系列BP连接的电离类脂质材料，并建立了一个BP-LNPs库，用于mRNA的全身递送至骨微环境。他们

5、研究了 21个BP功能化的尺寸分布较窄的电离脂质文库。然后，使用Luc mRNA在HeLa细胞中对文库进行了初步体外筛选，确定了以490BP-C14 LNP为主导配方。与不含BP的LNP（490-C14 LNP）相比,该配方的蛋白表达更高（2. 5倍）。这些BP功能化的LNPs不仅在体外和离体中对HA和骨表面表现出更高的亲和力，而且在体内全身给药后，在骨微环境中积累和转染效率增强。此外，490BP-C14LNPs在骨髓中一系列细胞类型（从B细胞、T细胞、单核细胞、粒细胞到内皮细胞）中表现出增强的转染和摄取。此外，经静脉注射BMP-2mRNA后，BP-LNPs介导了骨形态发生蛋白-2 （BMP-

6、2）在骨微环境（包括骨表面和骨髓）的分泌，表明未来在骨再生和骨折愈合方面的治疗潜力。由于BP类脂材料制备方便、用途广0 ；I 3331110!1000Size (nm)VasculaturemRN delivery to bonemicroenvironment泛，它们可能用于一系列（包括再生医学、蛋白质替代和基因编辑疗法）mRNA LNP骨治疗应用。Bonesurfaceo o O3 2 1(% WSEC一LuminescenceF i gure 1. Rat i onaI des i gn of BP I i p i d-ikemater i a Is for mRNA de I i ve

7、ry to the bonemi croenv i ronment i n v i vo. (a) Schemat i c iI Iustrat i on oflipid nanopart i cIes (LNPs) conta i n i ng BPI ip id-1 ikemater i a I s (BP-LNPs) to enab I e system i c de I i very of mRNAto the bonemi croenv i ronment. LNPs were prepared bycomb i n i ng four components (BP- ip id,D

8、OPE, cho IesteroI,and C14PEG2000) i nto each formuI at i on us i ng ami crof I u i d icmi x i ng dev ice. After systemic de I i very v i ai ntravenous i nject i on, BP-LNPscoord i nated withcalcium i ons (Ca2+) i n the bone m i croenv i ronment toenab I espec i f i c bone target i ng. (b) Ex v i voI

9、 umi nescence and fluorescence imaging of bones (left tor i ght: I eft I eg, spine, and r i ght I eg) after de I i veryof LNPsencapsuI at i ng Iuc i ferase-encod i ng mRNA, whereLNPs are IabeIed with1,1 , -dioctadecyI-3,3,3 , ,3-tetramethyI indotr icarbocyanine iodide (DiR) at aconcentrationof 10 gm

10、L. A Iuminescent signaI isgenerated where Iuc iferase mRNA i stransIated, andfIuorescence i nd icates LNP biod i str ibut ion by the DiRs i gnaI. (c) Representat i ve cryogen i c transmi ss i oneIectron microscopy (cryo-TEM) imageshowing themorphoIogy of BP-LNPs. Sea Ie bar: 100 nm. (d)Hydrodynamic

11、sizedistr ibut ion of a representat i veBP-LNP. I.V.二 i ntravenous.DiR-labcllcd LNP/. V. injectionmRNA delivery to bonemicroenvironment 490-C14LNP 4X)BP-CI4 LNPdhqdCQ06r(b)Luminescence (mRNA translation)tS. j01 tSlxXj 49(C14 LNP 4X)BP-CI4 LNP2.01.5Fluorescence (LNP distribution)d 寸-qdg06寸 4 2(rrun-a

12、sd)voElon 工LeA leg Spine Right legF i gure 4. I n v i vomRNA de I i very and b i od i str i but i onof BP-LNPs to the bone microenvi ronment. (a)Schemat ici I I ustrat i on of DiR-abe I ed LNPs de I i ver i ng mRNA to thebone of mice. Bone fragments were further dissected forquantifying the transfec

13、tion andhoming efficiency ofBP-LNPs. (b) I VIS imagi ng of FLuc mRNA de I i very to miceby490-C14 and 490BP-C14 LNPs. Bone fragments show h i ghIuminescence intensityafter 490BP-C14 LNP treatment.n - 3 mice. (c) Left I eg, spine, and r i ght Iegwered i ssected for Iumi nescence imaging. (d) TotaIlum

14、inescence quantificationof the dissected I eft I eg,spine, and right I eg for 490-C14 LNP- and490BP-C14LNP-t rested mice, (e) In vivo b i od i str i but i onof D i R-1abeIed LNPs, where thewhoIe skeI eton showediincreased f Iuorescent signaI fol lowing treatmentbyBP-LNPs. n = 3 mice, (f) Left I eg,

15、spine, and r i ghtI eg were d i ssected forfIuorescence imaging, (g) TotaIf I uorescence of the d i ssected I eft I eg, sp i ne, and r i ghtI eg for 490-C14 LNP- and 490BP-C14 LNP-treated mice.Stat i st i caIs i gn i f i cance i n (d) and (g) was calcuIatedby using a Student, s t test withunpai red des ign. *P 0.0001; *P 0.001; *P 0.01. Error barsrepresentSEM.