本實(shí)驗(yàn)中，研究人員采用了一種合理的方法來設(shè)計(jì)陽離子脂質(zhì)，并制備用于遞送小干擾RNA（siRNA）的配方。以穩(wěn)定核酸脂質(zhì)顆粒（SNALP）的關(guān)鍵脂質(zhì)成分1，2-二甲醇氧基-3-二甲基氨基bing烷（DLinDMA）為例，研究人員利用所提出的可電離陽離子脂質(zhì)的體內(nèi)作用機(jī)制來指導(dǎo)設(shè)計(jì)具有優(yōu)異遞送能力的基于DLinDMA結(jié)構(gòu)拓展的脂質(zhì)。通過篩選后，對(duì)性能好的脂質(zhì)（DLin-KC2-DMA），進(jìn)行了SNALP配制和表征，并在嚙齒類動(dòng)物和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物中分別在低至0.01 mg/kg和0.1 mg/kg的siRNA劑量下，證明具有體內(nèi)活性。研究發(fā)現(xiàn)，DLin-KC2-DMA介導(dǎo)的基因沉默比以前關(guān)于體內(nèi)內(nèi)源性肝臟基因沉默的報(bào)道有了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。
表1.1 基于DLin-DMA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖1.1. 新型陽離子脂質(zhì)的體內(nèi)評(píng)價(jià)
（a）. DLinDAP的沉默活性(▼), DLinDMA(▲), DLin-K-DMA(■) 和DLin KC2-DMA（●）在小鼠FVII模型中的篩選。所有LNP siRNA系統(tǒng)都是使用預(yù)成型囊泡（PFV）方法制備的，由可電離的陽離子脂質(zhì)、DSPC、膽固醇和PEG脂質(zhì)（40:10:40:10mol/mol）組成，F(xiàn)VII siRNA/總脂質(zhì)的比例約為0.05（wt/wt）。
（b）. 頭群擴(kuò)展對(duì)DLin-K-DMA活性的影響。DLin-K-DMA（■）在DMA頭基和縮酮環(huán)連接體之間添加了額外的亞甲基，以生成DLin-KC2-DMA（●），DLin-KC3-DMA（▲）和DLin-KC4-DMA（▼）在小鼠因子VII模型中評(píng)估每種脂質(zhì)的制劑活性。
表1.2 含有新型脂質(zhì)的LNPs的生物物理參數(shù)和體內(nèi)活性
鑒于正電荷在指導(dǎo)脂質(zhì)設(shè)計(jì)的作用機(jī)制假說中的重要性，在DLin-K-DMA作為新的基準(zhǔn)脂質(zhì)的綜述中研究了胺基頭基結(jié)構(gòu)變化的影響。進(jìn)行了一系列頭基修飾、表征和測(cè)試，以探索大小、酸離解常數(shù)和可電離基團(tuán)數(shù)量的影響（補(bǔ)充合成2和補(bǔ)充表2）。所測(cè)試的pai嗪基、ma啉基、三甲基氨基或雙二甲基氨基修飾并不優(yōu)于DLin-K-DMA的基準(zhǔn)二甲基氨基頭基。作為附加參數(shù)，通過引入額外的亞甲基來改變二甲基氨基和二氧wu環(huán)連接體之間的距離。該距離可以影響胺頭基的pKa以及電荷呈現(xiàn)相對(duì)于脂質(zhì)雙層界面的距離和柔性。相對(duì)于DLin-K-DMA，將單個(gè)額外的亞甲基插入頭部基團(tuán)（DLin-KC2-DMA）產(chǎn)生效力的顯著增加。在FVII模型中，這種脂質(zhì)的ED50約為0.1 mg/kg，使其效力比DLin-K-DMA高4倍，比DLinDMA基準(zhǔn)高10倍。然而，具有額外亞甲基的系鏈的進(jìn)一步延伸顯著降低了活性，DLin-KC3-DMA的ED50約為0.6 mg/kg，DLin-KC4-DMA的ED50>3 mg/kg。
圖1.2. 基于DLin-K-DMA，延長(zhǎng)頭部基團(tuán)碳鏈長(zhǎng)度對(duì)粒徑及ED50的影響
圖1.3. KC2-SNALP對(duì)嚙齒類動(dòng)物和非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物的療效
（a） 相對(duì)于在小鼠中測(cè)試的初始篩選制劑，KC2-SNALP的療效得到改善。KC2-SNALP的體內(nèi)療效(○) 與小鼠因子VII模型中未優(yōu)化的DLin-KC2-DMA篩選（即PFV）制劑（●）的結(jié)果進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)點(diǎn)以PBS對(duì)照動(dòng)物的百分比表示，代表組平均值（n=5）±s.d.（b）KC2-SNALP在非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物中的療效。食蟹猴（每組n=3）接受0.03、0.1、0.3或1 mg/kg siTTR，或1 mg/kg在KC2-SNALP或PBS中配制的siApoB的總劑量，通過頭靜脈靜脈輸注15分鐘（5 ml/kg）。給藥后48小時(shí)對(duì)動(dòng)物實(shí)施an樂死。在肝臟樣品中測(cè)定TTR mRNA水平相對(duì)于GAPDH mRNA水平。數(shù)據(jù)點(diǎn)代表組平均值±s.d.*，P<0.05；**，P＜0.005。
表1.3 含有KC2的SNALP的體內(nèi)活性
總結(jié)，研究人員將一種合理的方法應(yīng)用于新型陽離子脂質(zhì)的設(shè)計(jì)，這些脂質(zhì)被篩選用于基于LNP的siRNA遞送系統(tǒng)。脂質(zhì)結(jié)構(gòu)分為三個(gè)主要功能元件：烷基鏈、連接基和頭基。以DLinDMA為起點(diǎn)，通過保持其他兩個(gè)元素不變，以系統(tǒng)的方式研究了這些元素中每一個(gè)的影響。首先，建立了烷基鏈，然后改變了連接體，最后，探索了不同的頭基結(jié)構(gòu)。使用這種方法，描述了可離子化陽離子脂質(zhì)的重要結(jié)構(gòu)-活性考慮因素，并鑒定了相對(duì)于DLinDMA基準(zhǔn)具有改進(jìn)活性的脂質(zhì)。性能好的脂質(zhì)（DLin-KC2-DMA）的SNALP制劑在嚙齒類和非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物中都具有良好的耐受性，并且在嚙齒類動(dòng)物中在低至0.01mg/kg的siRNA劑量下表現(xiàn)出體內(nèi)活性，并且在非人類靈長(zhǎng)目動(dòng)物中表現(xiàn)出治療顯著基因（TTR）的沉默。盡管目前的工作范圍僅限于體內(nèi)肝臟遞送，但與之前關(guān)于LNP siRNA介導(dǎo)的非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物沉默的報(bào)道相比，這項(xiàng)工作中實(shí)現(xiàn)的TTR沉默（ED50～0.3 mg/kg）代表了活性的顯著提高
試驗(yàn)2
MC3最大限度地提高siRNA脂質(zhì)納米顆粒在體內(nèi)用于肝臟基因沉默的效力[2]
pKa的考察
圖2.1.TNS熒光法測(cè)定pKa
如圖2所示，四種可電離陽離子脂質(zhì)的pKa的測(cè)定實(shí)例。pKa的取值，定義為在一半最大熒光強(qiáng)度下的pH值。(A). 14，pKa=4.17；(B). 52，pKa=5.73；(C). 19，pKa=6.95；(D). 48，pKa=8.12。
圖2.2. 小鼠體內(nèi)肝臟基因沉默活性與pKa的關(guān)系圖
將56個(gè)可電離陽離子脂質(zhì)配制成LNP，并進(jìn)行ED50分析，根據(jù)它們的pKa，繪制得到圖4。有15種脂質(zhì)，沒有達(dá)到ED50劑量。剩余的脂質(zhì)，通過最佳擬合曲線突出顯示了具有活性的化合物，其表現(xiàn)出在6.2和6.5之間的最佳pKa
表2.1. 56種可電離陽離子脂質(zhì)的設(shè)計(jì)及其ED50，pKa值考察
圖2.3. 小鼠肝臟基因沉默活性圖
pKa在4-8.5之間，計(jì)算質(zhì)子化/未質(zhì)子化可電離陽離子脂質(zhì)的電離程度（%摩爾分?jǐn)?shù)）。每個(gè)FVII ED50數(shù)據(jù)點(diǎn)（藍(lán)色）來源于四劑量反應(yīng)（每個(gè)劑量水平n=4只小鼠）。假設(shè)pH為7.4，在血液中攜帶正電荷的陽離子脂質(zhì)顯示為紅色，而在pH為5.5的酸性內(nèi)涵體中不帶電的陽離子脂質(zhì)的顯示為綠色。
圖2.4.支持pKa值作為決定可電離陽離子脂質(zhì)，體內(nèi)肝臟基因沉默活性的主導(dǎo)因素。
可電離陽離子脂質(zhì)15、16和17的混合物使所得LNP的平均表面pKa值在5.64和6.93之間遞增移位。括號(hào)中的數(shù)字表示混合物中陽離子脂質(zhì)的摩爾比（氨基脂質(zhì)組分）。
圖2.5.可電離陽離子脂質(zhì)（16，DLin-MC3-DMA）的siRNA-LNP在小鼠和非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物中的功效。
在本研究中使用了含有50摩爾%的16（DLin-MC3-DMA）的經(jīng)過優(yōu)化后的制劑組合。相對(duì)于具有約0.005 mg.kg-1的中值有效siRNA劑量（ED50）的生理鹽水對(duì)照組，小鼠血清中的殘余FVII活性；柱狀圖代表平均值（n＝5）給予食蟹猴0.03、0.1和0.3mg.kg-1劑量的靶向TTR基因的siRNA。線型圖則表示平均值（n=3），以TTR mRNA表示，相對(duì)于肝臟樣本中測(cè)定的GAPDH mRNA水平，ED50估計(jì)為<0.03 mg.kg-1。
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