Разветвленные высокосимметричные липиды обеспечивают эффективную доставку мРНК

В настоящее время большое внимание уделяется разработке функциональных искусственных мРНК, которые могут лечь в основу терапевтических препаратов и вакцин. Ярким примером служат мРНК-вакцины против COVID-19. Такие мРНК представляют собой крупные и химически нестабильные молекулы, поэтому для их доставки в клетки необходим носитель. Одной из самых передовых технологий доставки мРНК являются липидные наночастицы (ЛНЧ). Их синтезируют из ионизируемых липидов, холестерина, хелперных липидов и полиэтиленгликоля. Головная и хвостовая части молекулы ионизируемых липидов выполняют разные функции. Головная группа отвечает за поведение ЛНЧ in vivo, а хвостовая — за формирование самой наночастицы. Наиболее эффективными считаются липиды с разветвленными хвостами. Однако химические вещества, имеющие подобную структуру, во-первых, весьма разнообразны и многочисленны, а во-вторых, ограниченно доступны коммерчески, поэтому до настоящего времени систематического анализа влияния таких молекул на качество ЛНЧ не проводилось.

Группа японских исследователей работала над этой проблемой и нашла новый разветвленный ионизируемый липид, который значительно увеличивает эффективность доставки мРНК. Они синтезировали липиды путем этерификации жирных кислот. В работе также использовались жидкостная хроматография, протонный ядерно-магнитный резонанс и масс-спектрометрия. Для измерения микровязкости применялись молекулярные роторы (от этого параметра зависят мембранный транспорт ЛНЧ и взаимодействие с клеточными рецепторами). Результаты опубликованы в Small Science.

В работе основное внимание уделяется α-разветвленным хвостам липидов с одинаковыми головными группами, поскольку их можно легко синтезировать из простых коммерчески доступных химических веществ. Ученые создали библиотеку липидов и определили взаимосвязи между их структурой, свойствами и функцией. Для структурных описаний липидов использовали два параметра: симметрию и общее число атомов углерода.

Затем исследователи проверили влияние 32-х липидов из этой библиотеки на свойства ЛНЧ, содержащих мРНК (ЛНЧ-мРНК). Комплексы с высокосимметричными разветвленными липидами обладали большей микровязкостью, меньшим размером везикул, лучше связывали мРНК и обладали повышенной стабильностью при хранении. Липиды с разветвленными симметричными хвостами и наибольшим числом атомов углерода обладали более высокой способностью к ионизации головной группы в сравнении с линейными. Это положительно коррелировало с эффективностью доставки мРНК в клетки модельных мышей in vivo.

Ученые также определили, что структура липидного хвоста влияет на доставку ЛНЧ в различные органы мышей при внутривенном введении. При использовании высокосимметричных липидов уровень экспрессии мРНК люциферазы, доставленной с помощью ЛНЧ в печень и селезенку мышей, был выше, а общее число атомов углерода в липидном хвосте имело значение для селективной доставки в эти органы. Ученые заключили, что химическая структура, свойства и поведение ЛНЧ in vivo тесно связаны между собой.

Наиболее эффективной оказалась доставка мРНК в ЛНЧ, содержащих разветвленные липиды с высоким уровнем симметрии. В частности, исследователи показали, что ЛНЧ на основе одного из таких липидов, CL4F 8-6, могут использоваться для редактирования генома в гепатоцитах мышей. Они синтезировали наночастицы, содержащие CL4F 8-6 и вмещающие мРНК Cas9 и гидовую РНК к гену транстиретина (TTR). (Ранее нокдаун этого гена с помощью миРНК был одобрен в качестве терапии транстиретинового амилоидоза.) После однократного введения ЛНЧ в дозировке 2,5 мг/кг эффективность выключения гена TTR в печени мышей достигла 54% и на 77% уменьшилось содержание TTR в сыворотке.

Таким образом, разветвленные высокосимметричные липиды обеспечивают оптимальные свойства ЛНЧ для доставки мРНК в органы-мишени и стабильности комплекса при хранении. Дальнейший дизайн новых липидов с разветвленными хвостами и составление расширенных липидных библиотек будут способствовать разработке высокоэффективной генной терапии.

Ученые во всем мире разрабатывают модификации ЛНЧ для различных применений. Недавно была опубликована статья о наночастицах, активирующих STING в холодных опухолях.