分享一篇近期发表在Journal of the American Chemical Society上的文章，题为：In Vivo mRNA Delivery to the Lung Vascular Endothelium by Dicationic Charge-Altering Releasable Transporters。该文章的通讯作者为来自斯坦福大学的Maya E. Kumar和Robert M. Waymouth。

    肺内皮作为循环系统与肺泡气腔之间的重要界面，介导气体、液体和细胞在血液与呼吸道间的交换，在维持健康呼吸生理、调节炎症反应及协调肺部免疫中发挥重要作用。肺内皮细胞功能损伤可导致呼吸系统疾病，而肺选择性核酸递送将为病原体感染、慢性炎症性疾病、肺纤维化及肺癌提供新的治疗途径。

    电荷变化型可释放转运体（CARTs）是由脂质嵌段和基于氨基酸（如N-羟乙基甘氨酸、N-羟乙基赖氨酸）的可降解阳离子聚酯嵌段组成，其中阳离子嵌段可通过水解或重排发生不可逆降解，释放RNA，也决定着递送靶向的组织。

    本文中，作者报道了一类基于双阳离子氨基酸的电荷变化转运体，系统调整侧链氨基与主链之间的间隔长度，发现鸟氨酸衍生的Orn-CARTs和二氨基丁酸衍生的Daba-CARTs在体内可高效地将mRNA递送至肺内皮细胞诱导显著高于赖氨酸CARTs或商用试剂的肺蛋白表达，证明CARTs阳离子亚基的空间排布对体内递送效率和组织趋向性具有决定性影响。如图1所示。

图1. 基于双阳离子氨基酸的电荷变化转运体实现肺内皮细胞靶向递送

    为探究侧链亚甲基数目对mRNA递送效能的影响，作者首先设计并合成了侧链比赖氨酸少一个亚甲基的鸟氨酸衍生物单体M_Orn，并通过开环聚合得到目标双嵌段寡聚物D-Orn-CART，并以10/1的N/P比与mRNA形成纳米颗粒。

图2. 双阳离子CARTs的合成及mRNA结合

    作者继续对比D-Orn-CART与已报道的D-Gly-CART及D-Lys-CART的转染效率，发现细胞摄取效率与mRNA表达水平之间存在显著差异，此差异来源于不同CARTs阳离子嵌段降解动力学的不同：Gly-CARTs通过快速的酰基转移形成中性二酮哌嗪（t_1/2 = 3分钟）；Orn-CARTs则以中等速率选择性环化生成O-内酰胺（t_1/2 = 16分钟）；Lys-CARTs则主要通过水解降解（t_1/2 = 12分钟）。如图3、4所示。

图3. 不同CARTs的mRNA体外递送效率 

图4. 不同CARTs的降解

    然而在小鼠体内D-Orn-CART的总生物发光信号比D-Gly-CART和D-Lys-CART高出一个数量级，且通过调节电荷比（如降至5:1）可实现表达部位从肺部向其他部位的转移。此外，D-Orn-CART表现出良好的生物相容性，并能实现长达94小时的持久蛋白表达，凸显了其作为高效、低毒、长效肺部mRNA递送平台的巨大潜力。如图5所示。

图5. 不同CARTs的mRNA体内递送效率

    作者又进一步分别合成了侧链含两个碳（Daba-CART）和一个碳（Dapa-CART）的二氨基单体，进一步扩展了双阳离子CART的结构多样性。小鼠模型中D-Dapa-CART和D-Daba-CART的荧光素酶表达水平比D-Orn-CART提高约半个数量级，但D-Dapa-CART无肺部选择性。而D-Dapa-CART在CryoEM图像中出现泡状结构，表明形态差异可能与转染效率及器官选择性相关。如图6所示。

图6. 改变CART的侧链长度控制递送效率与器官靶向性

    作者进一步通过D-Orn-CART和D-Daba-CART递送Cre重组酶mRNA，在肺中，tdTomato信号清晰分布于肺动脉、肺静脉的内皮层以及肺泡区域，而气道上皮和平滑肌细胞则完全未被标记。表明D-Orn-CART和D-Daba-CART能够精准靶向包括动脉、静脉和毛细血管在内的肺血管内皮系统。如图7所示。

图7. D-Orn-CART和D-Daba-CART在肺内皮细胞中诱导Cre报告基因重组

    综上所述，本研究开发了一系列双阳离子氨基酸衍生的CARTs，能够在小鼠体内高效、选择性地将mRNA递送至肺内皮细胞。系统调控CARTs阳离子嵌段的侧链结构，可显著改变mRNA的递送效率及体内蛋白表达位点，实现了无需靶向配体即可精确调控组织趋向性的目标。

作者：YXM 

DOI: 10.1021/jacs.5c06654