从LNP专利出发 - 聊聊脂质设计原理

从LNP专利出发 - 聊聊脂质设计原理

LNP（脂质纳米颗粒）技术是mRNA疫苗的关键递送系统，其核心脂质设计原理一直是各大药企竞争的焦点。本文从LNP专利纠纷出发，深入探讨了脂质设计的关键原理及其在mRNA疫苗中的应用，为读者提供了一个全面了解LNP技术的窗口。

LNP技术发展简介

LNP与mRNA都是在1960年代先后被发现，LNP早期是以脂质体 (liposome) 形式亮相，并在1978年就有研究者首次尝试使用脂质体递送mRNA（图1）。但是由于当时mRNA合成技术的瓶颈，这一领域并未引起太多关注。后来随着mRNA体外合成技术的发展，科学家们开始进一步尝试脂质体递送mRNA，但受限于脂质体自身的特性，包裹与递送mRNA效率始终不高。直到1987年-1989年期间，Robert Malone开创性引入了阳离子脂质体，形成了相对稳定的脂质-mRNA复合物[1,4]，同时在动物体内验证了这一递送形式的可行性，并发表了两篇相关论文。这段颇具传奇色彩的研发故事以及当事人的实验记录稿件相信大家都已经看过。

图1 LNP递送技术发展史[2]

90年代，研究者概念性的尝试了mRNA疫苗，但受限于当时另一项重要技术的缺失，mRNA疫苗以及治疗药物距离临床阶段还比较远。此后的较长一段时间，传统脂质体转向了小分子化合物的递送研究。同时针对脂质体的混合方式、组分配方在此后的时期有了多元化的尝试。其中，经历了多种版本混合方式的尝试，研究者最终开发出了T型碰撞混合装置，这也是我们所熟悉的LNP专利源头。2005年，两位科学家Kariko与Weissman发现了假尿嘧啶对于体外合成的mRNA进入细胞有效翻译的关键作用，逐渐将LNP技术拉回到mRNA疫苗赛道中。2018年，首款siRNA药物搭载着LNP递送系统获批上市，巩固了LNP作为核酸递送系统的地位。随着后来的新冠疫情爆发，mRNA疫苗研发进入加速阶段带动了整个行业的快速发展。

LNP核心专利经历过数次的专利纠纷延续至今，中间的恩怨情仇主要围绕三个核心人物，Ian MacLachlan、Thomas Madden和Peter Cullis。LNP核心专利群主要保护三方面：可电离脂质化学结构式（MC3）、LNP脂质配比、LNP用途。其中，Ian MacLachlan带领团队开发了以T型混合装置为代表的LNP包封方法，创新性的制备了区别于传统脂质体的LNP，然而所使用的主要脂质成分都是来自于Peter Cullis此前的研究成果，这也是争端的主要问题所在。

核心脂质的设计原理

如今，各大厂商之间的专利纠纷主要集中在可电离脂质化学结构式上，我们由此出发聊聊脂质的设计原理。如图2所示，Alnylam上市的首款siRNA药物采用了Dlin-MC3-DMA脂质。在低pH条件下，MC3脂质的叔胺基头部电离后赋予正电，与带负电的核酸通过静电相互作用结合形成稳定的核心。MC3脂质连接部引入了酯键，酯键是脂质的本质特征之一。在细胞内存在大量的酯酶，它们可以催化酯键的水解，从而使脂质分子通过脂代谢途径进行清除，这对于减少脂质在体内的毒副作用具有关键作用。尾部引入两条亚油基尾，不饱和键的引入能够提升脂质在细胞膜表面的流动性，进而促进细胞双层膜向单层膜转变，实现膜融合并释放核酸。

图2 LNP核心脂质化学结构专利纠纷

2011年，Alnylam独立申请了一项多尾脂质专利，将MC3原有的亚油基改成了两个酯键，并引入了多尾碳链结构。正如专利名称中所写“用于递送活性剂的生物可降解脂质“，酯键的增加相比于亚油基能够显著提升细胞内清除率。同时，多尾结构呈现几何形状，横截面积增加，脂质分子的疏水相互作用形成更锥形的结构，而带电头部则可以与细胞膜上带相反电荷的分子相互作用，从而促使多尾可电离脂质更容易穿过细胞膜并在细胞内部发挥其内体破坏的作用，直观的结果就是核酸释放效率提升。

至此，我们对于脂质的关键基团与作用有了初步的了解，接着我们来分析两家头部企业的脂质设计。它们都在叔胺基头部添加了羟基，羟基引入能够提升脂质亲水性质，同时通过氢键作用提升脂质与核酸的结合能力，有助于提高包封后LNP内核的稳定性。然而，LNP包封通常在酸性条件下进行，羟基电离后带负电会部分干扰叔胺基与核酸的结合，因此两家企业都通过碳链隔开距离。此外，无论是ALC-0315还是SM-102都采用了与ALNY-369相似的多尾结构以及双酯键，并且支链酯键所在的碳链位置都有一定重叠，这也是专利诉讼源头，最终判定结果让我们拭目以待。

图3 五大结构类别的可电离脂质[2]

根据前文的介绍，我们可以归纳出脂质设计的三个基本原则：化学结构稳定、递送效率高、体内清除率高。如图3所示，目前市面上常见的可电离脂质分为五类：不饱和脂质（含有不饱和键）、多尾脂质（含有两个以上尾）、聚合物脂质（含有聚合物或树枝状聚合物）、可生物降解脂质（含有可生物降解键）和支尾脂质（含有支链尾）脂质。每种类型的脂质都有各自的特点，兼具合理设计与大量筛选。理想的LNP研发平台通常需要具备丰富多元的脂质库、高通量的体内筛选以及定制化开发能力。如今进入了AI时代，各种基团、分子相互作用、体内外测试等等数据可以用来训练算法模型加速设计与筛选的进程，进而减少人工筛选的工作量与时间消耗。

机遇与挑战

在LNP技术领域，随着新冠mRNA疫苗的成功应用，可电离脂质设计的重要性日益凸显，吸引了众多企业和研究机构加入竞争。这一领域面临着巨大的机遇与挑战。首先，LNP技术的快速发展为传统疫苗和药物输送领域带来了革命性转变，为应对新兴传染病和疾病提供了全新的解决方案。新型脂质设计的不断创新将进一步提升核酸递送效率和稳定性，为基因编辑、癌症治疗等领域带来更广阔的前景。然而，LNP技术的发展也面临着挑战。专利纠纷使得技术创新受到限制，企业之间的竞争日益激烈。此外，脂质设计的复杂性和多样性也给研发过程带来了挑战，需要耗费大量时间和资源进行筛选和验证。同时，脂质在体内的代谢和清除机制仍需深入研究，以降低潜在的毒副作用和提高安全性。

因此，未来的发展路径需要在技术创新和专利保护之间取得平衡，促进行业合作与共享，加强跨领域合作与交流，共同推动LNP技术的进步。同时，加大对AI技术在脂质设计中的应用与研究，提高研发效率，加速新型脂质的发现与应用，助力LNP技术迈向更广泛的应用领域，实现医疗领域的可持续发展与健康服务。

参考资料：

[1] Source: Robert et al., 1989,PNAS

[2] Gu et al., 2022,Med. Comm

[3] Han et al., 2021,Nat. Commun

[4] Elie Dolgin, 2021,NATURE