麻省理工學院和馬薩諸塞大學醫學院的工程師們已經開發出了能將編碼有用蛋白質的信使RNA傳遞到肺部的納米顆粒，有可能應用於治療囊性纖維化和其他肺部疾病。在一項小鼠研究中，這些顆粒促進了編碼CRISPR/Cas9基因編輯組件的mRNA的有效傳遞，為能夠取代致病基因的治療性納米顆粒鋪平了道路。

研究人員正在努力將納米粒子氣溶膠化以便吸入，併計劃在囊性纖維化和其他肺部疾病的小鼠模型中測試這些粒子。

麻省理工學院和馬薩諸塞大學醫學院的工程師們設計了一種新型的納米粒子，它可以被注射到肺部，在那裡它可以傳遞編碼有用蛋白質的信使RNA。

研究人員說，隨著進一步的發展，這些顆粒可以為囊性纖維化和其他肺部疾病提供一種可吸入的治療。

“這是第一次在小鼠身上證明了RNA的高效輸送到肺部。”麻省理工學院化學工程系教授、麻省理工學院科赫綜合癌症研究所和醫學工程與科學研究所（IMES）成員丹尼爾-安德森說：”我們希望它可以用來治療或修復一系列遺傳疾病，包括囊性纖維化。”

在一項針對小鼠的研究中，安德森和他的同事使用顆粒來傳遞編碼CRISPR/Cas9基因編輯所需機器的mRNA。這可能為設計能夠剪除和替換致病基因的治療性納米粒子打開了大門。

這項研究於2023年3月30日發表在《自然-生物技術》雜誌上，其資深作者是安德森、麻省理工學院大衛-H-科赫研究所教授羅伯特-朗格和麻省理工學院RNA治療研究所副教授薛文。前麻省理工學院博士後、現為多倫多大學助理教授的Bowen Li；麻省理工學院博士後Rajith Singh Manan；以及UMass醫學院的博士後Shun-Qing Liang是論文的主要作者。

瞄準肺部

信使RNA在治療由錯誤基因引起的各種疾病方面具有巨大潛力。迄今為止，其部署的一個障礙是難以將其輸送到身體的正確部位，而沒有脫靶效應。注射的納米粒子經常在肝臟中積聚，因此評估潛在mRNA治療肝臟疾病的幾項臨床試驗目前正在進行中。基於RNA的COVID-19疫苗，直接注射到肌肉組織中也已被證明是有效的。在許多這樣的情況下，mRNA被封裝在脂質納米粒子中–一種脂肪球，保護mRNA不被過早分解並幫助它進入目標細胞。

幾年前，安德森的實驗室著手設計能夠更好地轉染構成肺部大部分內襯的上皮細胞的顆粒。2019年，他的實驗室創造了能夠將編碼生物發光蛋白的mRNA傳遞給肺部細胞的納米粒子。這些顆粒是由聚合物而不是脂質製成的，這使得它們更容易氣溶膠化，以便吸入肺部。然而，在這些顆粒上還需要做更多的工作，以增加它們的效力並最大限度地發揮其作用。

在他們的新研究中，研究人員著手開發可以針對肺部的脂質納米顆粒。這些顆粒由包含兩部分的分子組成：一個帶正電的頭組和一個長的脂質尾巴。頭組的正電荷有助於顆粒與帶負電荷的mRNA相互作用，它也有助於mRNA在進入細胞後從吞噬顆粒的細胞結構中逃脫。

同時，脂質尾部結構有助於顆粒通過細胞膜。研究人員為脂質尾巴提出了10種不同的化學結構，同時還有72種不同的頭組。通過在小鼠身上篩選這些結構的不同組合，研究人員能夠確定那些最有可能到達肺部的結構。

高效傳遞

在對小鼠的進一步測試中，研究人員表明，他們可以使用這些顆粒來傳遞編碼CRISPR/Cas9組件的mRNA，這些組件旨在將基因編碼的停止信號切斷到動物的肺部細胞。當該停止信號被移除時，一種熒光蛋白的基因就會開啟。測量這種熒光信號使研究人員能夠確定成功表達mRNA的細胞的百分比。

研究人員發現，在一劑mRNA之後，大約40%的肺上皮細胞被轉染了。兩次劑量使該水平達到50%以上，三次劑量則達到60%。治療肺部疾病的最重要目標是兩種類型的上皮細胞，稱為俱樂部細胞和纖毛細胞，其中每一種的轉染率約為15%。

“這意味著我們能夠編輯的細胞確實是對肺部疾病感興趣的細胞，”Bowen Li說。”這種脂質能夠使我們將mRNA輸送到肺部，比迄今為止報導的任何其他輸送系統都要有效得多”。

新顆粒還能快速分解，使它們在幾天內從肺部清除，並減少炎症的風險。如果需要重複用藥，這些顆粒還可以多次投遞給同一病人。這使它們比另一種傳遞mRNA的方法更具優勢，後者使用無害的腺病毒的改良版。這些病毒在傳遞RNA方面非常有效，但不能重複給藥，因為它們會在宿主體內誘發免疫反應。

特拉維夫大學精確納米醫學實驗室主任丹-佩爾（Dan Peer）說：”這項成就為各種肺部疾病的治療性肺部基因傳遞應用鋪平了道路，他沒有參與這項研究。與傳統的疫苗和療法相比，這個平台擁有幾個優勢，包括它是無細胞的，能夠快速製造，並且具有高度的通用性和良好的安全性。”

為了在這項研究中提供顆粒，研究人員使用了一種叫做氣管內灌注的方法，這種方法經常被用來作為向肺部提供藥物的模型。他們現在正在努力使他們的納米粒子更加穩定，因此它們可以被氣溶膠化，並使用霧化器吸入。

研究人員還計劃測試這些顆粒，以便在該疾病的小鼠模型中傳遞mRNA，從而糾正在導致囊性纖維化的基因中發現的遺傳變異。他們還希望開發其他肺部疾病的治療方法，如特發性肺纖維化，以及可以直接傳遞到肺部的mRNA疫苗。