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脂质纳米颗粒作为递送载体在吸入疗法中的应用

发布日期:2022/11/23 16:53:24

近日,上海启动吸入用重组新冠病毒疫苗(5型腺病毒载体)加强免疫接种,这是一种利用腺病毒为载体,通过吸入的方式将表达S蛋白的遗传物质递送进人体,激发人体免疫,引起社会各界的关注。而以非病毒载体:脂质纳米颗粒(Lipid NanoparticleLNP)为载体的mRNA新冠疫苗,目前仍然以肌肉注射为主要接种途径,吸入型接种未启动上市。但是,脂质纳米颗粒作为递送载体用于吸入疗法,治疗呼吸道疾病,却有广泛的研究,并且一些吸入型LNP药品已经通过FDA批准上市。本文主要阐述LNP作为递送载体,在呼吸系统疾病吸入疗法的应用及仍然需要面临的挑战。

1 脂质纳米颗粒

最早开发的脂质纳米颗粒是脂质体,在20世纪80年代被引入临床应用。脂质体由两亲性磷脂构成的双分子层包裹亲水内部,能够递送疏水性和亲水性药物(图1AB)。大家比较熟悉的用于新冠mRNA疫苗的核酸脂质纳米颗粒,也可以理解为脂质体的一种,只是结构更加复杂,其各种脂质成分的构成及作用已在上篇文章:脂质纳米颗粒中各成分的作用  进行了介绍。另外,还有用于包裹疏水性药物的固体脂质纳米颗粒(Solid Lipid NanoparticlesSLNs)和纳米结构脂质载体(Nanostructured Lipid CarriersNLCs),其特点为纳米颗粒的核心为疏水内核(图1EF)。脂质纳米颗粒典型的粒径为100-300 nm,但是更小(低于100 nm)或者更大(高达1000 nm)的颗粒也可以制备。LNP的结构多样性增加了其治疗应用的可能性。

1 各种脂质纳米颗粒的结构和组成



2  LNP及其气雾化聚集体尺寸对呼吸道沉积模式的影响

呼吸道分为上、下两部分,上呼吸道包括鼻子、口腔、咽部、喉部,下呼吸道包括气管、支气管和肺部器官。

为了成功地将药物输送到所需的部位,吸入液滴或颗粒大小是一个重要参数,可以确定LNP沉积的呼吸道区域以及绕过生理屏障和清除机制的成功率。吸入液滴或颗粒的空气动力学直径(Aerodynamic DiameterAD)在很大程度上决定了沉积模式。AD大于5 μm的较大颗粒可能在上呼吸道和大气道中发生惯性撞击,通常会导致颗粒在口咽区沉淀,有可能进入胃肠道而不是呼吸道。如果颗粒AD15 μm之间,则会发生重力沉降,导致沉积在下呼吸道、终末细支气管和肺泡中,从而穿透肺组织。AD低于1 μm的纳米级颗粒可以进入肺部深处的肺泡,并通过布朗运动进行随机扩散。这些超细颗粒不仅可以扩散到下肺泡区,还可以扩散到传导的气管支气管区。这促进了LNP包封的有效成分在整个肺中的广泛分布,并且对于空间距离较远的靶细胞(如分布在整个肺组织中的肿瘤细胞)尤其有益。

另外,对于单个LNP来说,典型的AD范围为100300 nm。需要探究每种呼吸系统疾病及其治疗化合物的细节,以确定LNP的最佳尺寸。例如,治疗肺结核需要将抗生素输送到肺泡深处细菌感染的肺泡巨噬细胞中。稍大的颗粒(200300 nm)将促进肺泡巨噬细胞的摄取,并诱导所需的抗菌治疗效果。相反,具有非巨噬细胞靶点的疾病可能需要AD小于200 nmLNP,以避免巨噬细胞摄取和免疫清除而远离其所需靶点。仔细研究和设计单个LNP颗粒以及聚集体的尺寸对配方成功至关重要。

2 吸入性LNP在呼吸道中的沉积和分布机制的示意性总结。其机制是惯性碰撞、重力沉降和布朗扩散



3 LNP吸入疗法治疗呼吸道疾病的优势及面临的挑战

LNP吸入疗法在治疗呼吸道疾病方面有诸多优势。首先,LNP化学成分及结构的多样性可以递送多种多样的活性药物,以小分子、核酸、蛋白和多肽为主。第二,LNP通过肺部途径,可以避免药物因胃肠道降解和肝脏的首次代谢而流失,同时,通过LNP包封的吸入疗法有助于延缓肺蛋白酶和肽酶降解,提高完整化合物的生物利用度,并改善药代动力学特征。第三,LNP包封增加了肺部药物保留时间以及降低全身毒性。最后,在LNP配方中使用生物相似的磷脂、阳离子脂质和胆固醇可降低免疫原性。

当然,LNP吸入疗法也面临一些挑战。首先,设计和合成适合粒径且分布均一的LNP是目前需要解决的首要难题。其次,气雾化的LNP聚集体以及单个LNP,需要克服呼吸道物理屏障和免疫清除机制。最后,需要筛选出适合的配方,包括LNP的结构及成分、粒度、实现的效果、后续配方的生产方法等。

4 小结

LNP吸入疗法对于改善疾病管理和减轻各种肺部疾病具有巨大潜力。近年来的临床前研究表明,LNP能够将各种药物(包括化疗药物、血管扩张剂、抗生素、mRNAsiRNA和黏液溶解剂)局部输送到肺部,用于治疗肺癌、阻塞性肺病和微生物感染等肺部疾病。虽然LNP吸入疗法面临诸多挑战,但是科技进步也推动着LNP吸入疗法研究的深入。比如,铭汰MicroFlow 纳米药物制备系列产品,可以制备出粒径均一且可控的LNP,可用于配方的筛选优化,同时也提供符合cGMP生产要求的产品MicroFlow G,可以加快LNP吸入疗法的研发及生产。

参考文献

Leong Ellenmae W X, Ge Ruowen, Lipid Nanoparticles as Delivery Vehicles for Inhaled Therapeutics.[J] .Biomedicines, 2022, 10. 2179.

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