从新冠mRNA疫苗的巨大成功，到新兴的癌症免疫疗法，脂质纳米颗粒（LNP）技术正以前所未有的速度改变着现代医学。您可以将LNP想象成一个纳米级的“快递车”，专门负责将脆弱而强大的核酸药物（如mRNA、siRNA、pDNA、ASO、miRNA等）安全、高效地“送货”到我们体内的目标细胞。

本文将从文献中挖掘信息，详细分析不同的LNP脂质递送的优化策略及方式，实现mRNA在肝外，特别是脑部，脾脏及肺部等器官的靶向递送，并在文章最后详细的列出LNP脂质组分及mRNA配制的计算过程，供大家参考学习。 

 

一、经典四组分各自的作用及专利保护情况

可电离阳离子脂质（核心零件） 

• 功能与作用：在酸性缓冲液（如pH 4.0~5.0）中质子化带上正电荷，通过静电作用高效包封带负电的mRNA或siRNA；进入细胞后，在内涵体酸性环境下再次质子化，与内涵体膜上的阴离子脂质形成非层状结构，促进核酸逃逸至胞质。

• 特点：可电离脂质在生理pH（7.4）下接近电中性，降低了全身毒性并延长循环时间；其“pH响应性”是内涵体逃逸的关键。代表性分子包括DLin-MC3-DMA（Onpattro用）、SM-102（Moderna）、ALC-0315（BioNTech/Pfizer）。

• 专利情况：核心可电离脂质的结构专利多被Arbutus、Alnylam、Moderna、BioNTech等公司持有，例如Arbutus的US8058069B2（涵盖MC3系列），Moderna的US10385085B2（SM-102类），近年来围绕脂质头基、连接键、尾链的专利诉讼与授权频繁。

   

辅助脂质（如DOPE、DSPC）

• 功能与作用：通常为磷脂（如DOPE为不饱和磷脂，DSPC为饱和磷脂）。DOPE因具有锥形分子几何结构，促进六角晶相转变，协助内涵体膜去稳定化；DSPC则提供双层膜刚性，增强颗粒稳定性。

• 特点： DOPE的膜融合特性显著提升核酸释放效率；DSPC使LNP粒径更均一、储存稳定性更佳。不同辅助脂质的选择可调节LNP的器官靶向倾向（如DSPC富集肝脏）。

• 专利情况： 辅助脂质多为天然或合成磷脂，其组合使用的方法专利分散于各公司，例如Protiva的WO2005084178A2涵盖DOPE/DSPC与可电离脂质的配方比例。

   

胆固醇

• 功能与作用：填充脂质双层中的空隙，调控膜的流动性和刚性，降低脂质相变温度，使LNP在血液中保持完整并减少药物渗漏。

• 特点：提供机械稳定性，避免颗粒聚集；同时减少补体激活等免疫副作用。胆固醇的添加是LNP实现长循环和低毒性的重要保证。

• 专利情况： 胆固醇本身为通用辅料，但特定摩尔比（如20%~50%）的配方比例受专利保护，例如Alnylam的US8678688B2中限定了胆固醇含量范围。

   

PEG-脂质（聚乙二醇化脂质） 

• 功能与作用：在LNP表面形成水化层，通过空间位阻减少血清蛋白吸附和单核吞噬系统（MPS）摄取，延长循环半衰期；同时防止颗粒聚集。

• 特色：显著提高LNP的“隐身”能力和储存稳定性。但PEG分子量（常用2 kDa）和锚定脂质的碳链长度（C14~C18）影响脱落速率：短链PEG-脂质（如PEG-DMG、C14）可在体内较快脱落，利于细胞摄取；长链（如PEG-DSPE、C18）则长循环但可能抑制转染。

• 专利情况：PEG-脂质的组合应用专利由多家持有，例如Arbutus的US8058069B2涵盖PEG-C-DMA；BioNTech/Pfizer的COVID-19疫苗LNP使用了PEG-脂质ALC-0159（相关专利WO）。

 

二、为什么传统LNP天然靶向肝脏

目前FDA已批准的三款mRNA-LNP产品（两款新冠疫苗和一款呼吸道合胞病毒疫苗）均主要靶向肝脏或产生系统性免疫反应。

四组分的LNP具有较强的肝脏靶，其主要源于LNP被注射进入血液循环后，会迅速吸附血浆中的载脂蛋白E，这些载脂蛋白E与肝细胞表面的低密度脂蛋白受体高度亲和，导致大部分LNP被肝脏摄取。mRNA-LNP在肝脏以外的组织中实现高效、特异且安全的递送仍是该领域的技术瓶颈。

为突破经典的LNP四组分核心专利限制，并拓展LNP肝外靶向递送，国内外学者纷纷投身于新型LNP递送系统的研发，一方面通过创新脂质结构、简化组分等策略规避现有专利保护，另一方面致力于优化LNP的组织靶向能力，使其能够更精准地递送至特定器官（如脾脏、肺部、脑等），从而在规避法律风险的同时提升治疗效能。

 

研究一：通过改变阳离子脂质进行跨血脑屏障LNP的研究

挑战：血脑屏障（BBB）如同一道“安检门”，严格阻止绝大多数药物和基因治疗分子进入大脑。mRNA药物分子量大、带负电，如何让它穿过这道屏障到达脑细胞，一直是神经疾病治疗领域的重大难题。董一洲团队联合Biogen公司，将已知具有跨BBB能力的小分子配体（如L-DOPA、替莫唑胺、MK-0752等）共价偶联至可电离脂质骨架上，制备出一类全新的“跨血脑屏障脂质纳米颗粒”（BLNP），使其能够利用这些小分子对应的天然转运蛋白或穿膜机制通过BBB，将治疗性mRNA高效递送至大脑，为脑肿瘤、神经退行性疾病等提供全新的核酸药物递送平台。

实验的设计：首先，设计并合成跨BBB脂质库：挑选6类临床已验证可入脑的小分子（左旋多巴、d-丝氨酸、替莫唑胺、色胺衍生物、肉桂酸衍生物、MK-0752），分别作为“导航头”连接到可电离脂质骨架上。通过改变连接臂（酯、碳酸盐等）和尾部结构，总共合成了72种不同结构的跨BBB脂质（BLs）。每一种小分子进入大脑的机制不同（有的靠转运蛋白，有的靠被动扩散），多路线并行筛选可以大幅提高成功率。

图1：BLNP脂质设计

研究人员以统一配方开启筛选：将所有跨血脑屏障脂质（BL）与辅助脂质DOPE、胆固醇及DMG-PEG2k按摩尔比20 : 30 : 40 : 0.75混合，通过微流控技术包封Fluc mRNA，成功制备出72种BLNP。这些颗粒的粒径集中分布在97–178 nm，均带正电且均一性良好（PDI<0.3），非常适合体内循环与穿越内皮间隙。

为了精准锁定高效候选物，团队在小鼠脑内皮细胞（bEnd.3）和小鼠神经瘤细胞（N2a）中进行了系统筛选。以经典的MC3-LNP为基准，结果显示：CD6、TD5、TD8和MK6等多种BLNP的发光强度提升了10倍以上。研究发现，拥有两个烃尾的脂质性能优于三个或四个尾部，而含有碳酸盐酯或缩醛连接臂的脂质表现出更高的转染效率。这些构效关系为后续优化指明了方向。

最优MK16 BLNP的体内生物学分布与细胞特异性分析：

器官水平：静脉注射后对MK16 BLNP在各主要器官中的分布进行定量

大脑分布比例的意义：传统LNP静脉注射后大脑分布通常低于1–2%，而MK16 BLNP实现了15.3%的大脑分布，这是该研究最核心的定量突破之一。虽然肝脏仍占最大比例（这是所有静脉注射纳米颗粒难以避免的），但大脑分布的显著提升证明了跨BBB小分子功能化的策略切实有效。

脑部细胞类型特异性分析（流式细胞分析，GFP mRNA报告）：

脑部细胞特异性分析：MK16 BLNP广泛转染了大脑中多种细胞类型，其中星形胶质细胞和神经元的转染效率最高，这对此类细胞相关的神经疾病（如神经退行性疾病）具有重要意义。小胶质细胞转染效率相对较低，可能因为小胶质细胞作为脑内驻留的免疫细胞具有较强的吞噬和降解活性。

胶质母细胞瘤（GBM）治疗模型验证

动物模型： 人U-118MG GBM原位荷瘤免疫缺陷小鼠（颅内接种人GBM细胞系建立的脑肿瘤模型）

治疗方案： 静脉注射MK16 BLNP包封Pten mRNA（PTEN是一种在GBM中常突变的肿瘤抑制基因），以空载体和无关mRNA为对照。

关键结果：Pten mRNA BLNP在肿瘤区域的富集高于正常脑组织；治疗后肿瘤体积更小，小鼠生存期显著延长。

基于筛选结果，后续进行两轮优化，获得高效分子 MK6 的迭代：

第一轮：将MK6与mR NA的比例提升至12.5/1，大脑发光强度随即提高2倍。第二轮：通过精细调整烷基链结构生成MK13–MK16系列，静脉注射小鼠后，MK16 BLNP脱颖而出，其体内大脑发光强度比上一代MK6E配方高出1.7倍，比传统MC3-LNP配方高出8.3倍，成为跨血脑屏障递送的最优载体。

该实验研究转化的潜力大，BLNP更换mRNA载荷即可拓展至其他脑部疾病（神经退行性疾病、脑肿瘤、遗传性脑病等），不是针对单一适应症的点解决方案。同时，利用小分子脂质合成路径，可规模化生产具有很好的放大可行性。

 

研究二：通过删减LNP脂质体组分进行mRNA在脾脏的递送

复旦大学人类表型组研究院邱敏青年研究员团队在《Advanced Science》上发表了一项重要研究，报道了一种名为OncoLRC的单组分脾靶向脂质-mRNA复合物递送系统。

传统LNP-mRNA系统组分复杂（四种成分）且天然富集于肝脏，而肌肉注射途径免疫启动缓慢。脾脏作为最大的次级淋巴器官，富含APCs和淋巴细胞，是理想的疫苗靶器官。开发能够经静脉注射后特异性递送mRNA至脾脏APCs的简化递送系统，对于快速激发抗肿瘤免疫应答具有重要临床意义。

该文的亮点主要体现在：（1）仅需一种可电离脂质H2T7与mRNA自组装，无需胆固醇、磷脂和PEG，极大简化制剂工艺；（2）超低脂质/mRNA质量比（1.5:1），远低于传统LNP的10:1，降低脂质毒性风险；（3）静脉给药后近乎唯一性脾脏表达，避开肝脏蓄积；（4）在“冷肿瘤”B16F10-OVA模型中单药有效，且与抗PD-1联用呈协同效应。

实验设计

以自主设计的二甲胺（DMA）为可电离头部基团，合成系列类脂分子，以常规四组分LNP包封fLuc mRNA进行体内筛选，根据脾/肝荧光比值选出最优脂质H2T7C。随后采用“四步法”逐步简化：调整脂质/mRNA比例（10:1→3:1）→尝试去除胆固醇、DSPC或PEG的三/二组分体系（稳定性或靶向下降）→最终仅保留H2T7+mRNA的单组分OncoLRC，并优化质量比。最优条件：H2T7:mRNA=1.5:1（w/w），简单混合自组装。理化表征：粒径约158 nm（PDI<0.2），弱负电性，包封率≈85%，球形具电子致密核心，4℃稳定≥10天，多次静脉给药无加速血液清除（ABC）现象。

图2：脾靶向单组分LNP筛选

细胞实验及数据分析

DC2.4（小鼠树突状细胞）用于摄取机制研究；B16F10-OVA用于建立肿瘤模型。结果表明：未成熟DC通过巨胞饮途径大量摄取OncoLRC；经poly(I:C)诱导成熟后，巨胞饮受抑，摄取效率下降超过98%（体内荧光信号同步显著降低），证实巨胞饮为入胞核心途径。此外，体内包载OVA-mRNA的OncoLRC可诱导脾脏cDC和pDC上调活化标志物CD40和CD86。

小鼠实验及分析

实验中使用以下几种小鼠模型：Balb/c小鼠（IVIS成像）、C57BL/6小鼠（免疫分析及B16F10-OVA肿瘤模型）、Cre报告小鼠（细胞类型转染鉴定），采用静脉注射（20 μg mRNA/只）的方式。

关键的实验结果：（1）组织分布：OncoLRC几乎仅表达于脾脏，肝信号极低，少量分布于骨髓。（2）免疫激活：脾及淋巴结DC成熟；血清IFN-α、IL-12p40、IFN-γ 6h达峰；诱导OVA特异性IgG2c（Th1偏向）及强效SIINFEKL特异性IFN-γ⁺ T细胞应答；脾CD8⁺ T中Granzyme B⁺和IFN-γ⁺比例显著升高。（3）预防性模型（先免疫后皮下接种）：肿瘤生长显著延迟，1/5小鼠无瘤，生存期延长。（4）治疗性模型（荷瘤9天后给药）：单药抑制已建立肿瘤生长、延长生存；肿瘤内CD8⁺ T浸润↑，M1/M2↑，Treg和耗竭CD8⁺ T↓，效应/记忆T↑。（5）联合治疗（+抗PD-1）：比单药更进一步抑制肿瘤、延长生存，逆转免疫抑制微环境。

该研究成功开发了单组分脾靶向OncoLRC递送平台，以极简组分、超低脂质/mRNA比、巨胞饮介导的脾脏APCs精准递送为特色，在B16F10-OVA“冷肿瘤”模型中显示出预防性保护、治疗性单药有效及与免疫检查点抑制剂协同的显著效果。该平台还成功包封circRNA及大片段mRNA（如CAR-mRNA，3463 nt），具有良好的通用性，为下一代mRNA癌症疫苗及联合免疫治疗提供了简洁、高效、低毒的全新载体平台。

 

参考文献

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