分享一篇近期發表在Journal of the American Chemical Society上的文章，題為：In Vivo mRNA Delivery to the Lung Vascular Endothelium by Dicationic Charge-Altering Releasable Transporters。該文章的通訊作者為來自斯坦福大學的Maya E. Kumar和Robert M. Waymouth。
肺內皮作為循環系統與肺泡氣腔之間的重要界面，介導氣體、液體和細胞在血液與呼吸道間的交換，在維持健康呼吸生理、調節炎癥反應及協調肺部免疫中發揮重要作用。肺內皮細胞功能損傷可導致呼吸系統疾病，而肺選擇性核酸遞送將為病原體感染、慢性炎癥性疾病、肺纖維化及肺癌提供新的治療途徑。
電荷變化型可釋放轉運體（CARTs）是由脂質嵌段和基于氨基酸（如N-羥乙基甘氨酸、N-羥乙基賴氨酸）的可降解陽離子聚酯嵌段組成，其中陽離子嵌段可通過水解或重排發生不可逆降解，釋放RNA，也決定著遞送靶向的組織。
本文中，作者報道了一類基于雙陽離子氨基酸的電荷變化轉運體，系統調整側鏈氨基與主鏈之間的間隔長度，發現鳥氨酸衍生的Orn-CARTs和二氨基丁酸衍生的Daba-CARTs在體內可高效地將mRNA遞送至肺內皮細胞誘導顯著高于賴氨酸CARTs或商用試劑的肺蛋白表達，證明CARTs陽離子亞基的空間排布對體內遞送效率和組織趨向性具有決定性影響。如圖1所示。
圖1. 基于雙陽離子氨基酸的電荷變化轉運體實現肺內皮細胞靶向遞送
為探究側鏈亞甲基數目對mRNA遞送效能的影響，作者首先設計并合成了側鏈比賴氨酸少一個亞甲基的鳥氨酸衍生物單體MOrn，并通過開環聚合得到目標雙嵌段寡聚物D-Orn-CART，并以10/1的N/P比與mRNA形成納米顆粒。
圖2. 雙陽離子CARTs的合成及mRNA結合
作者繼續對比D-Orn-CART與已報道的D-Gly-CART及D-Lys-CART的轉染效率，發現細胞攝取效率與mRNA表達水平之間存在顯著差異，此差異來源于不同CARTs陽離子嵌段降解動力學的不同：Gly-CARTs通過快速的酰基轉移形成中性二酮哌嗪（t1/2 = 3分鐘）；Orn-CARTs則以中等速率選擇性環化生成O-內酰胺（t1/2 = 16分鐘）；Lys-CARTs則主要通過水解降解（t1/2 = 12分鐘）。如圖3、4所示。
圖3. 不同CARTs的mRNA體外遞送效率
圖4. 不同CARTs的降解
然而在小鼠體內D-Orn-CART的總生物發光信號比D-Gly-CART和D-Lys-CART高出一個數量級，且通過調節電荷比（如降至5:1）可實現表達部位從肺部向其他部位的轉移。此外，D-Orn-CART表現出良好的生物相容性，并能實現長達94小時的持久蛋白表達，凸顯了其作為高效、低毒、長效肺部mRNA遞送平臺的巨大潛力。如圖5所示。
圖5. 不同CARTs的mRNA體內遞送效率
作者又進一步分別合成了側鏈含兩個碳（Daba-CART）和一個碳（Dapa-CART）的二氨基單體，進一步擴展了雙陽離子CART的結構多樣性。小鼠模型中D-Dapa-CART和D-Daba-CART的熒光素酶表達水平比D-Orn-CART提高約半個數量級，但D-Dapa-CART無肺部選擇性。而D-Dapa-CART在CryoEM圖像中出現泡狀結構，表明形態差異可能與轉染效率及器官選擇性相關。如圖6所示。
圖6. 改變CART的側鏈長度控制遞送效率與器官靶向性
作者進一步通過D-Orn-CART和D-Daba-CART遞送Cre重組酶mRNA，在肺中，tdTomato信號清晰分布于肺動脈、肺靜脈的內皮層以及肺泡區域，而氣道上皮和平滑肌細胞則完全未被標記。表明D-Orn-CART和D-Daba-CART能夠精準靶向包括動脈、靜脈和毛細血管在內的肺血管內皮系統。如圖7所示。
圖7. D-Orn-CART和D-Daba-CART在肺內皮細胞中誘導Cre報告基因重組
綜上所述，本研究開發了一系列雙陽離子氨基酸衍生的CARTs，能夠在小鼠體內高效、選擇性地將mRNA遞送至肺內皮細胞。系統調控CARTs陽離子嵌段的側鏈結構，可顯著改變mRNA的遞送效率及體內蛋白表達位點，實現了無需靶向配體即可精確調控組織趨向性的目標。
作者：YXM
DOI: 10.1021/jacs.5c06654
