麻省理工学院和马萨诸塞大学医学院的工程师们已经开发出了能将编码有用蛋白质的信使RNA传递到肺部的纳米颗粒，有可能应用于治疗囊性纤维化和其他肺部疾病。在一项小鼠研究中，这些颗粒促进了编码CRISPR/Cas9基因编辑组件的mRNA的有效传递，为能够取代致病基因的治疗性纳米颗粒铺平了道路。

研究人员正在努力将纳米粒子气溶胶化以便吸入，并计划在囊性纤维化和其他肺部疾病的小鼠模型中测试这些粒子。

麻省理工学院和马萨诸塞大学医学院的工程师们设计了一种新型的纳米粒子，它可以被注射到肺部，在那里它可以传递编码有用蛋白质的信使RNA。

研究人员说，随着进一步的发展，这些颗粒可以为囊性纤维化和其他肺部疾病提供一种可吸入的治疗。

"这是第一次在小鼠身上证明了RNA的高效输送到肺部。"麻省理工学院化学工程系教授、麻省理工学院科赫综合癌症研究所和医学工程与科学研究所（IMES）成员丹尼尔-安德森说："我们希望它可以用来治疗或修复一系列遗传疾病，包括囊性纤维化。"

在一项针对小鼠的研究中，安德森和他的同事使用颗粒来传递编码CRISPR/Cas9基因编辑所需机器的mRNA。这可能为设计能够剪除和替换致病基因的治疗性纳米粒子打开了大门。

这项研究于2023年3月30日发表在《自然-生物技术》杂志上，其资深作者是安德森、麻省理工学院大卫-H-科赫研究所教授罗伯特-朗格和麻省理工学院RNA治疗研究所副教授薛文。前麻省理工学院博士后、现为多伦多大学助理教授的Bowen Li；麻省理工学院博士后Rajith Singh Manan；以及UMass医学院的博士后Shun-Qing Liang是论文的主要作者。

瞄准肺部

信使RNA在治疗由错误基因引起的各种疾病方面具有巨大潜力。迄今为止，其部署的一个障碍是难以将其输送到身体的正确部位，而没有脱靶效应。注射的纳米粒子经常在肝脏中积聚，因此评估潜在mRNA治疗肝脏疾病的几项临床试验目前正在进行中。基于RNA的COVID-19疫苗，直接注射到肌肉组织中也已被证明是有效的。在许多这样的情况下，mRNA被封装在脂质纳米粒子中--一种脂肪球，保护mRNA不被过早分解并帮助它进入目标细胞。

几年前，安德森的实验室着手设计能够更好地转染构成肺部大部分内衬的上皮细胞的颗粒。2019年，他的实验室创造了能够将编码生物发光蛋白的mRNA传递给肺部细胞的纳米粒子。这些颗粒是由聚合物而不是脂质制成的，这使得它们更容易气溶胶化，以便吸入肺部。然而，在这些颗粒上还需要做更多的工作，以增加它们的效力并最大限度地发挥其作用。

在他们的新研究中，研究人员着手开发可以针对肺部的脂质纳米颗粒。这些颗粒由包含两部分的分子组成：一个带正电的头组和一个长的脂质尾巴。头组的正电荷有助于颗粒与带负电荷的mRNA相互作用，它也有助于mRNA在进入细胞后从吞噬颗粒的细胞结构中逃脱。

同时，脂质尾部结构有助于颗粒通过细胞膜。研究人员为脂质尾巴提出了10种不同的化学结构，同时还有72种不同的头组。通过在小鼠身上筛选这些结构的不同组合，研究人员能够确定那些最有可能到达肺部的结构。

高效传递

在对小鼠的进一步测试中，研究人员表明，他们可以使用这些颗粒来传递编码CRISPR/Cas9组件的mRNA，这些组件旨在将基因编码的停止信号切断到动物的肺部细胞。当该停止信号被移除时，一种荧光蛋白的基因就会开启。测量这种荧光信号使研究人员能够确定成功表达mRNA的细胞的百分比。

研究人员发现，在一剂mRNA之后，大约40%的肺上皮细胞被转染了。两次剂量使该水平达到50%以上，三次剂量则达到60%。治疗肺部疾病的最重要目标是两种类型的上皮细胞，称为俱乐部细胞和纤毛细胞，其中每一种的转染率约为15%。

"这意味着我们能够编辑的细胞确实是对肺部疾病感兴趣的细胞，"Bowen Li说。"这种脂质能够使我们将mRNA输送到肺部，比迄今为止报道的任何其他输送系统都要有效得多"。

新颗粒还能快速分解，使它们在几天内从肺部清除，并减少炎症的风险。如果需要重复用药，这些颗粒还可以多次投递给同一病人。这使它们比另一种传递mRNA的方法更具优势，后者使用无害的腺病毒的改良版。这些病毒在传递RNA方面非常有效，但不能重复给药，因为它们会在宿主体内诱发免疫反应。

特拉维夫大学精确纳米医学实验室主任丹-佩尔（Dan Peer）说："这项成就为各种肺部疾病的治疗性肺部基因传递应用铺平了道路，他没有参与这项研究。与传统的疫苗和疗法相比，这个平台拥有几个优势，包括它是无细胞的，能够快速制造，并且具有高度的通用性和良好的安全性。"

为了在这项研究中提供颗粒，研究人员使用了一种叫做气管内灌注的方法，这种方法经常被用来作为向肺部提供药物的模型。他们现在正在努力使他们的纳米粒子更加稳定，因此它们可以被气溶胶化，并使用雾化器吸入。

研究人员还计划测试这些颗粒，以便在该疾病的小鼠模型中传递mRNA，从而纠正在导致囊性纤维化的基因中发现的遗传变异。他们还希望开发其他肺部疾病的治疗方法，如特发性肺纤维化，以及可以直接传递到肺部的mRNA疫苗。