一项微小的化学技巧刚刚使mRNA疫苗变得更安全、更强效、更智能

在发表于《自然·生物医学工程》的新论文中，宾夕法尼亚大学的研究人员表明，调整可电离脂质的结构——这是递送mRNA的脂质纳米颗粒（LNPs）的关键组分——不仅能减少炎症，还能提升疫苗预防或治疗从COVID-19到癌症等多种疾病的有效性。

关键性改变是什么？添加具有抗炎特性的酚基化合物，这种物质常见于橄榄油等食物中。“通过从根本上改变这些脂质的配方，我们能够使其在减少副作用的同时更好地发挥作用，”生物工程系副教授、该论文资深作者Michael J. Mitchell说，“这是一个双赢的结果。”

修订配方

迄今为止，LNPs中的可电离脂质（LNPs中四类脂质之一，且可以说是最重要的）主要采用将两种组分结合成新分子的化学反应合成，就像三明治的两半合在一起。

“由于这些工艺非常成功，人们很少致力于寻找替代方案，”Mitchell实验室前博士后、论文共同第一作者宫宁强（Ninqiang Gong）表示。

回顾化学发展史，该团队发现了一种替代方法：曼尼希反应（Mannich reaction），该反应以一个多世纪前发现它的德国化学家命名。

不同于使用两种组分，曼尼希反应结合了三种前体物质，从而能产生更多样化的分子结果。“我们得以创造出数百种新脂质，”宫宁强说。

探索这个脂质"文库"使团队发现，添加酚基（由氢和氧结合在碳分子环上构成的基团）能显著减轻炎症。

“这有点像秘密配方，”宫宁强说，“酚基不仅能减少与LNPs相关的副作用，还能提高其功效。”

酚基的力量

先前研究发现，含酚化合物可通过中和自由基的有害效应来减轻炎症。自由基是带有不成对电子的分子，会扰乱人体化学反应。

过量自由基和过少抗氧化剂会导致"氧化应激"，这会降解蛋白质、损伤遗传物质，甚至杀死细胞。

通过检测与氧化应激相关的多种标志物，研究人员比较了使用不同脂质配制的LNPs的炎症效应。

“性能最佳的LNP——我们采用曼尼希反应生成的含酚可电离脂质构建——实际上引发的炎症更少，”生物工程系博士生、论文合著者Emily Han说。

更少炎症，更高性能

鉴于这些减轻炎症的鼓舞性迹象，研究人员接下来测试了新型脂质是否也能提升疫苗性能。

在多项实验中，采用最具抗炎特性脂质的C-a16 LNPs表现优于市售mRNA技术中使用的LNPs。

“降低氧化应激使LNPs更易发挥作用，”Mitchell实验室博士后、论文共同第一作者Kim Dongyoon（音译：金东润）表示。

C-a16 LNPs不仅能产生更持久的效应，还提升了CRISPR等基因编辑工具的功效以及治疗癌症疫苗的效力。

对抗遗传病、癌症与COVID-19

为测试新型C-a16脂质在动物模型中的表现，研究人员首先用其递送使萤火虫发光的基因至细胞内——这是检验基因指令强度的经典实验。

相较FDA批准的遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性（hATTR，一种罕见遗传性肝病）疗法Onpattro中使用的LNPs，小鼠发光强度提升了约15倍。

C-a16脂质还帮助CRISPR等基因编辑工具更有效地修复导致hATTR的缺陷基因。事实上，与当前递送方法相比，其在小鼠模型中使治疗效果提升了一倍以上。

在癌症治疗中，结果同样显著。在黑色素瘤动物模型中，采用C-a16脂质递送的mRNA癌症疗法使肿瘤缩小的效果比使用COVID-19疫苗LNPs的相同疗法高出三倍。新型脂质还增强了抗癌T细胞活性，使其更高效地识别并摧毁肿瘤细胞——且伴随更低的氧化应激。

最后，当团队使用C-a16脂质制备COVID-19 mRNA疫苗时，动物模型中的免疫反应比标准配方强五倍。

“通过减少对细胞机制的干扰，新型含酚脂质能增强LNPs的广泛应用，”金东润表示。

古老化学，崭新疆域

除了探究新型脂质在减轻mRNA疫苗副作用方面的直接潜力，研究人员期待探索如曼尼希反应这类被忽视的化学过程如何能解锁新的LNP增强配方。

“我们尝试应用一个世纪前发现的反应，发现它能极大改善尖端医疗手段，”Mitchell说，“想象还有哪些待重新发掘的宝藏，实在令人兴奋。”

本研究在宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院（Penn Engineering）和佩雷尔曼医学院（Penn Medicine）进行，并获美国国立卫生研究院（NIH）院长新创新者奖（DP2 TR002776）、Burroughs Wellcome基金科学界面职业奖（CASI）、美国国家科学基金会CAREER奖（CBET-2145491）、美国癌症协会（RSG-22-122-01-ET）、两项美国国家科学基金会研究生研究奖学金（DGE 1845298, DGE 1845298）、GEM奖学金以及NIH/国家癌症研究所博士前转博士后过渡奖（F99 CA284294）资助。

其他合著者包括宾夕法尼亚大学工程学院的Rohan Palanki、石强强（Qiangqiang Shi）、韩学祥（Xuexiang Han）、薛露露（Lulu Xue）、徐俊超（Junchao Xu）、Christian G. Figueroa-Espada；佩雷尔曼医学院的Drew Weissman、Mohamad-Gabriel Alameh、Rakan El-Mayta、Garima Dwivedi；中国科学技术大学的孟子林（Zilin Meng）、罗天宇（Tianyu Luo）、李静红（Jinghong Li）。