隨著兩款mRNA新冠疫苗的上市，脂質奈米粒（lipid nanoparticles）對於mRNA疫苗的重要性已經不言而喻。脂質奈米粒這一遞送技術的起源，正是由不列顛哥倫比亞大學（Universityof British Columbia）教授彼得•卡利斯（Pieter Cullis）在40多年前揭開序幕，他的實驗室為脂質藥物遞送系統奠定了的基礎。
文丨塔卡拉瑪乾的白楊
20世紀90年代，不列顛哥倫比亞大學的加拿大溫哥華生物化學家彼得・卡利斯（Pieter Cullis）及其團隊率先開發將脂質奈米粒用於遞送沉默基因活動的核酸鏈。在藥物遞送技術的開發過程中，卡利斯及其團隊提出將可電離脂質用於藥物遞送，在酸性條件下為荷正電，在生理條件下轉化為中性電荷，既可以減少對人體的毒性作用，又可以提高mRNA穩定性，延長儲存時間。該遞送技術後來成功開發了一款名叫Patisiran的藥物，獲FDA批准用於治療家族性澱粉樣多發性神經病變。
圖1 新冠疫苗結構示意圖
NatureReviews Materials 編輯邀請Pieter Cullis，共同討論了脂質奈米粒-核酸藥物的過去與未來。
圖2 生物化學家Pieter Cullis
Q1：您研究脂質很長時間了，是什麼促使您從事脂質研究並設計基於脂質的遞送系統，使以COVID-19 mRNA為例的mRNA治療成為可能呢？
說來話長。在獲得物理學博士學位之後，我覺得物理學之外的東西看起來更讓人感興趣，因此在牛津大學做博士後的時候開始學習生物化學，當時除了對核磁共振（NuclearMagnetic Resonance，NMR）有一點了解外，對脂質和膜一無所知。在牛津大學，我遇到了來自烏得勒支的博士後Bende Kruijff，我們一起用31PNMR研究在生物膜中發現的脂質的結構特性。我被脂質的多型性深深吸引，這其中涉及到脂質膜對非雙層結構的偏好，例如六角相HII。從我們的研究中得到一個結論：作為生命的基礎，脂質在膜融合過程中有著至關重要的作用，例如在受精和細胞內囊泡的轉運。
20世紀80年代，我在不列顛哥倫比亞大學（Universityof British Columbia，UBC）建立了自己的實驗室，我也開始對脂質不對稱的功能產生興趣；事實上生物膜一側的脂質成分與另一側的脂質成分是不同的。我很好奇是否能合成一種不對稱脂質可以應對跨膜的離子梯度，例如pH梯度。我們用很多方法開發了具有pH梯度的雙層囊泡，採用“可電離陽離子脂質（IonizableCationic Lipid）”來產生脂質的不對稱。這種可電離陽離子脂質的存在形式取決於pH值，既可以以中性形式存在，也可以以正電荷（質子化）形式存在。在具有pH梯度的囊泡中，這種脂質會優先分佈在pH值較低的脂質層，從而產生脂質不對稱性。
當我們發現可以將抗腫瘤藥物包載到具有pH梯度的雙層囊泡中時，我們有了一些其他想法：我跟其他四個高階博士後共同創立了InexPharmaceuticals，擬開發抗癌藥物脂質體。然而，在20世紀90年代中期，執行長（CEO）向我抱怨無法籌集到資金用於將老藥開發成脂質體，我們只能開發基因治療。能高效包載帶負電荷的核酸藥物的方法是使用陽離子脂質。但是陽離子脂質永久帶正電，在體內的毒性較大，所以我們必須找到其他替代辦法。幸運的是，當我們嘗試使用脂質不對稱的可電離陽離子脂質時，發現能在低pH值包載核酸聚合物，此時可電離脂質帶正電荷，當pH值升高到生理pH值時，包載的核酸被保留。這樣的遞送系統毒性很小。
Q2：所以，在脂質不對稱方面的基礎研究使您找到了一種可將核酸包載於脂質系統的方法，那麼您在脂質多型性方面的工作對此有何幫助呢？
在20世紀90年代末，眾所周知陽離子脂質不僅可以促進核酸的包載，還可以提高體外的胞內遞送效率。我們很好奇這其中的原因。研究發現陽離子脂質與負電荷脂質結合形成HII相結構，使我們回到脂質多型性的研究中。這便引出一種假說：陽離子脂質與生物膜中的負電荷脂質結合，形成破壞膜的非雙分子層結構，使核酸聚合物滲透到細胞內，從而促進RNA和DNA的胞內遞送。
這一假說對可電離脂質的設計有直接影響。脂質系統在內吞作用下蓄積於細胞中，我們的目的是使內涵體去穩定化，讓包載的核酸遞送至細胞質中。隨著內涵體的熟化，內部的pH值會隨之降低，因此可電離脂質的效力取決於其質子化的pH值，以及一旦帶正電荷會誘導非雙層結構的能力。這為我們最佳化可電離脂質提供了合理設計的方法。
Q3：隨後，你們共同創立了一些初創公司，為開發用於COVID-19的LNP-mRNA疫苗做出了重大貢獻。您能告訴我們您在學術界以外的藥物開發方面的經歷嗎？
我很早就意識到，開發一種藥物所需要的的資源遠比學術系統能提供的資源更多。並且想在學術界長久保持世界領先的科學團隊是不可能的。所以我努力創業，在早期就把一群真正優秀的科學家聚集在一起。令我非常滿意的是，我現在仍然跟MickHope、Tom Madden、MarcelBally和Lawrence Mayer一起工作，他們是我40多年前在哥倫比亞大學小組的資深成員。如果我們沒有建立和維護這個核心團隊，我們就不會取得太大成就。
我們的初創公司在COVID-19mRNA疫苗開發過程中發揮了關鍵作用。Inex公司的研究促使我們嘗試開發基於核酸藥物的脂質遞送系統。接下來的工作完成於Protiva公司、Acuitas公司以及與Alnylam製藥公司和我的UBC實驗室，開發優化了脂質奈米粒系統產品Onpattro，這是一款基於脂質奈米粒的siRNA藥物，用於治療遺傳性轉甲狀腺素澱粉樣變性引起的多神經病變。我應該說2005年至2012年與Alnylam的合作改變了遊戲規則。我們合作合成了300多種可電離脂質，將脂質奈米粒siRNA遞送系統在肝臟基因中的沉默效率提高了三個數量級。
在2012年Onpattro進入臨床試驗後，Acuitas繼續開發在肝臟中表達蛋白質的mRNA脂質奈米粒系統。我們認為，既然脂質奈米粒可以遞送siRNA用於基因沉默，或許也可以遞送mRNA用於基因表達。令人驚喜的是，這是奏效的，Acuitas已經開發出了越來越強的肝臟基因表達的脂質奈米粒mRNA系統。大概是2014年，好運降臨，賓夕法尼亞大學的DrewWeissman聯絡了我們，他想嘗試將我們的遞送系統用於疫苗遞送。這些工作相當出彩，為mRNA疫苗的開發鋪平了道路。
圖3 FDA批准的首款siRNA藥物
Q4：與病毒遞送系統和其他奈米粒子（如合成聚合物、多肽奈米材料或細胞外囊泡）相比，以脂質奈米粒遞送核酸有什麼優勢呢？
好吧，我顯然是有偏見的，但研究脂質的樂趣之一是可以利用天然的東西。脂質具有驚奇的材料特性，高度靈活性，可生物降解性，並在生物過程中賦予產品優勢。例如，脂質奈米粒-RNA系統透過靜脈注射後吸附於ApoE進入肝細胞，誘導肝細胞透過低密度脂蛋白（Low-DensityLipoprotein，LDL）和其他受體進行細胞攝取。
與其他遞送系統相比，脂質奈米粒的優勢是深遠的。病毒載體存在負載率低、生產問題和免疫應答等難題。其他合成系統也受到負載效率低、不均勻性和免疫應答等問題的制約。細胞外囊泡很難製造和包載，高度複雜的結構使其幾乎不可能實現批次間的良好重現性。
Q5：我們現在對脂質奈米粒在體內的相互作用有了很多瞭解，那麼還有哪些根本問題和挑戰是需要解決的呢？
仍然還存在很多根本性的問題和挑戰。闡述清楚可電離脂質內涵體逃逸的機制十分重要。依然不能很好地表徵蛋白冠在體內吸附到脂質奈米粒以及如何影響奈米粒效能。靜脈給藥後，如何靶向肝細胞以外的組織呢？又如何開啟或者是關閉基因表達，從而僅轉染特定區域的組織呢？如何遞送至重要的靶點組織（例如大腦）呢？類似的問題不勝列舉。即便如此，我還是對以脂質為基礎的遞送系統能滿足臨床需求持以樂觀的態度。調節脂質奈米粒的外表面能實現不同的組織分佈。共同包載對外部輻射敏感藥物可以實現對特異位點的精準治療。對功能越來越有效的可電離脂質和對其他脂質奈米粒成分進行最佳化，將實現對難以轉染組織的有效控制。
Q6：奈米醫學在過去遭受了一些信任危機，特別是臨床轉化緩慢的癌症奈米藥物。您是否認為COVID-19 mRNA疫苗的成功將加快其他奈米藥物的臨床轉化，例如抗流感、癌症或艾滋病？
我認為脂質奈米粒-RNA藥物正在加速引發一場醫學革命。幾乎所能想到的任何疾病都可以用基於RNA的基因療法進行治療。此外，這些藥物能以驚人的速度開發出來。只要知道想要沉默或者表達的蛋白質，就可以在一到兩個月內合成所需的siRNA或mRNA，並在一到兩天內包載到脂質奈米粒中，形成靶向藥物。COVID-19mRNA疫苗在3個月的病毒基因組測序後，從概念到臨床應用藥物快速推進的範例證明了這些可能性。相信很快我們就能看到針對流感、艾滋病毒、寨卡病毒、COVID-19變體和其他傳染性疾病的脂質奈米粒-mRNA疫苗。
這僅僅只是冰山一角，更大的潛力是利用肝臟作為生物反應器來生產靜脈注射後所需的任何蛋白質，它的應用範圍包括單克隆抗體用於治療從癌症到傳染病的各種疾病。蛋白質用於治療罕見病是明顯可行的，如溶酶體貯積症、糖原貯積症和血友病。只要蛋白質能夠進入骨髓，鐮狀細胞貧血和各種白血病的治療將成為熱點。類似的可能性在肺、心臟、眼部和大腦領域也存在。這是醫學的一個神奇時代（Itis an amazing time for medicine）。
圖4 mRNA疫苗的發展歷程
Q7：看到COVID-19 mRNA疫苗效果如此優異，作為為這驚人成就做出過貢獻的人，一定令人非常興奮。接下來會做些什麼呢？
簡直難以置信。當BioNTech/Pfizer公司宣佈該疫苗對預防COVID-19的有效性為95%時，我簡直不敢相信。即使是喝了幾杯蘇格蘭威士忌後，我還是不敢相信。要知道，即便我和許多人花了幾十年的努力去證明脂質體和脂質奈米粒是有效的遞送系統，但在一年前依然鮮為人知。而在全球緊急情況，以戲劇化的方式證明其有效性，簡直令人難以置信。脂質奈米粒正在被注射到數十億人的手臂中。我想說的是，我很高興40年前我和四個博士後在實驗室的一段旅程能產生如此大的影響。
關於下一件事，如果說生活教會了我什麼，那就是沒有任何時候是比眼下更適合去實現不可能的夢想的（Ifthere is one thing life has taught me, it’s that there is no time like thepresent to try to achieve impossible dreams）。因此，我成立了一家試圖治療衰老的公司。對我來說或許有點晚了，但誰知道呢！
圖5 BioNTech/Pfizer公司開發的新冠疫苗RNA序列
參考文獻：
- Fromlipids to lipid nanoparticles to mRNA vaccines
- Thetangled history of mRNA vaccines
