脂质纳米粒药物递送平台的理论基础

作为目前COVID-19 mRNA 疫苗的重要组成部分，脂质纳米粒（LNP）在有效保护 mRNA 并将其转运至细胞方面发挥着关键作用。脂质体是 LNP 的早期版本，是一种多功能的纳米药物递送平台。

文丨塔卡拉玛干的白杨

1、脂质体：最早版本的脂质纳米粒

20世纪60年代发现脂质在水中能自发形成封闭的脂质双层囊泡，不久便创造了“脂质体（Liposome）”一词。随着纳米科学和纳米技术时代的开始，20世纪90年代初期才开始使用“脂质纳米粒（Lipid nanoparticle）”这个词。脂质体由脂质组成，并且在大多数情况下是纳米级的，因此脂质体被认为是最早一代的脂质纳米粒。

脂质体作为药物递送系统的潜力已被广泛认可。已知超过40%的用于治疗癌症的小分子药物在水中表现为低溶解度，因此能用于包载这些药物并且提高其水溶性的药物递送系统被格外重视。脂质体是最早成功从概念到临床应用的纳米药物递送平台，拥有多个获批的药物制剂。例如，最早获批的脂质体药物Doxil，是用于治疗卵巢癌的抗肿瘤药物阿霉素脂质纳米粒制剂。另一款脂质体药物 Epaxal是蛋白质抗原的脂质纳米粒制剂，用作肝炎疫苗，许多其他脂质体制剂也已被批准用作药物和疫苗。还有更多的脂质体产品处于临床试验阶段，用于抗癌、抗炎、抗生素、抗真菌剂、麻醉剂和其他药物和基因疗法。

磷脂（如磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰甘油）和胆固醇等稳定剂是常见的脂质体成分。脂质体由一个或几个脂质双分子层组成，大小在20到1000 nm之间。亲水性药物可以包裹在脂质体的水性内部，而疏水性药物可以包裹在脂质双分子层的烃链区域，使脂质体成为多功能的药物递送平台。脂质体的结构很大程度上取决于它们的制备方式，可以是单层直径为 20~100 nm 的小单层囊泡（SUV）、直径为100~1000 nm 的大单层囊泡（LUV）或直径>1000 nm 的巨型单层囊泡（GUV）或直径> 500 nm的洋葱状结构的多层囊泡（MLV）。药物递送系统主要使用 SUV 和较小的 MLV，而 GUV 主要用作细胞模型。

粒径是决定脂质体药物包载和循环系统半衰期的关键参数，较小的脂质体有更多的机会逃脱吞噬细胞的摄取。普遍认为，用于药物递送的粒子需要≤100 nm，尤其是用于肠胃外给药的粒子。多种技术可用于测量纳米粒的粒径，例如动态光散射、尺寸排阻色谱、核磁共振光谱和显微镜等。脂质纳米粒的粒径和粒度分布可以通过挤出、超声和均质等制备方法进行控制；微流体方法近几年也已成功用于脂质纳米粒的制备和粒径控制。

脂质纳米粒的表面电位通常由脂质的头部基团决定，可以带正电或带负电或两性离子。表面电位取决于表面电荷密度，控制粒子之间的相互作用和反离子的吸附可以调节纳米粒的稳定性。不带电的粒子或具有低电荷密度的粒子往往会随着时间的推移而聚集，而带电较多的粒子会相互排斥，从而防止聚集。纳米粒子的表面电荷通常由Zeta电位表示，这是粒子结合的流体层外的平面测量电位，通常由其电泳迁移率计算得出。Zeta 电位随着加入的离子型脂质比例呈线性变化；通常Zeta 电位＜–30 mV 或＞30 mV足以保证颗粒间的排斥力维持悬浮粒子的稳定。

2、阳离子脂质纳米粒与核酸的复合物

细胞发病机制遗传学方面取得的重大进展，使得对众多人类疾病的基因靶向治疗成为可能。核酸在医学中具有多种作用，包括基因治疗剂和 RNA治疗剂。然而，核酸疗法的发展受到细胞递送的阻碍。核酸的负电荷和亲水性阻碍其在质膜上的被动扩散。此外，与血清蛋白的结合、吞噬细胞的摄取以及被内源性核酸酶降解会干扰核酸的有效递送。因此，核酸在递送至靶细胞进行有效摄取的过程，需要递送载体用于保护免于降解。病毒和非病毒载体可用于将核酸递送至细胞。阳离子脂质纳米粒是包含合成阳离子脂质和阴离子核酸的稳定复合物，是核酸药物使用最广泛的非病毒递送系统。

用于核酸载体的大量两亲性阳离子脂质已被合成并广泛研究。阳离子脂质的分子结构类似于天然脂质，仅在头部基团以可电离（阳离子）基团取代天然脂质的两性离子或阴离子基团。它们包含具有两条烷基链或胆固醇成分的疏水部分、带正电荷的极性头部基团和连接极性基团与疏水部分的接头。优选随pH值变化仅在细胞内带正电而在循环系统中不带电的可电离脂质，其毒性低于不可电离的阳离子脂质。

带正电脂质的络合作用既可以稳定核酸，又能增加复合物对核酸酶降解的抵抗力，使其能被递送至所需的靶细胞。核酸通过脂质纳米粒吸附到细胞表面而进入细胞，随后经内吞作用并将核酸释放到细胞中。由于细胞膜通常带负电荷，而用于核酸递送的脂质纳米粒带正电荷，两者间的静电作用促进脂质纳米粒的吸附和细胞融合，两者间的吸引力促进膜融合和内吞作用。一旦核酸进入细胞，核酸必须从与阳离子脂质的复合物中释放。细胞的阴离子脂质可能通过中和阳离子脂质载体的电荷来帮助脂质纳米粒释放核酸，破坏脂质载体和核酸之间的静电相互作用。阴离子脂质与阳离子脂质的结合也会破坏脂质纳米粒的结构，形成非层状结构。已有相关报道认为阳离子脂质载体在递送核酸中的作用与其能促进非层状脂质相形成相关。短时间内的非层状结构被认为可介导膜融合过程；膜融合过程中形成的中间体与层状-非层状相变过程中形成的中间体高度相似。

3、固体脂质纳米粒和纳米结构脂质载体

固体脂质纳米粒（Solid lipid nanoparticles，SLN）和纳米结构脂质载体（Nanostructured lipid carriers，NLC）是为解决脂质体的相关缺点而开发的。脂质体虽然可用作药物载体，但在生产过程中需要使用有机溶剂，包载效率较低，有些工艺难以规模转化。常规脂质体含液晶脂质双层，而SLN含固体脂质， NLC则含固体和液晶脂质的混合物。SLN和NLC的粒径在40 nm到1000 nm范围内，通过增强物理稳定性解决脂质体制剂的主要限制。SLN和NLC还具有更高的包载能力和更高的生物利用度，无需使用有机溶剂即可轻松大规模生产，并且在灭菌过程中比其他脂质纳米粒更稳定。此外，SLN和NLC中固态分子流动性的降低，使其更能精确控制包载药物的释放。

然而，在长期储存中，SLN的结晶会将包载的药物排出到周围介质中。在室温下引入少量液态脂质到SLN中，通过降低脂质核心的结晶度设计成为NLC。NLC通过降低结晶度抑制对包载药物的外排，提高纳米粒的载药能力和长期理化稳定性。

SLN和NLC由脂质和稳定剂（如表面活性剂和其他包衣材料）组成。典型的脂质成分如脂肪酸、脂肪醇、甘油酯和蜡。位于脂质-水界面的表面活性剂降低脂质和水相之间的界面张力，提高制剂的稳定性。SLN和NLC的制备方法通常无需使用有机溶剂，如高压均质、高速搅拌、超声处理、乳液/溶剂蒸发、双乳液、转相和溶剂注入等。

表1 用于制备SLN和NLC的常用成分

4、功能型脂质体

未经修饰的脂质纳米粒尽管有诸多优势，但是依然有诸多局限性，比如缺乏靶向选择性、血液循环时间短和体内不稳定性等。为克服脂质纳米粒的这些缺点，通过改变其配方而设计成为功能型脂质体。

（1）靶向脂质体

靶向脂质体（Targeted Liposomes）是在脂质体表面附着配体，用于识别和结合细胞上的特定受体以实现靶向递送。靶向脂质体通常是将小分子配体、肽或单克隆抗体缀合到脂质纳米粒表面来制备的，最早用于构建主动靶向脂质体是抗体，即免疫脂质体（Immunoliposomes）。例如，用IgM配体修饰的脂质体，其效率比未修饰的脂质体高100倍。某些受体（如叶酸受体和转铁蛋白受体）在许多癌细胞上过度表达，将其相应的配体用于修饰脂质体，可将脂质体靶向至这些细胞或组织。

叶酸受体与叶酸配体紧密结合，从而使肿瘤细胞比非肿瘤细胞更具特异性。叶酸无免疫原性，其结合物通过内吞作用无破坏性地进入细胞内，这些优点使叶酸优于基于蛋白质的靶向配体。叶酸受体在分布于炎症疾病的巨噬细胞上过度表达，炎症疾病包括银屑病、克罗恩病、动脉粥样硬化和类风湿性关节炎，因此叶酸介导的靶向也可用于抗炎药物的递送。为满足肿瘤细胞对铁的需求，转铁蛋白受体在快速增殖的癌细胞中过度表达，使得转铁蛋白受体成为靶向抗癌疗法。 表皮生长因子受体（EGFR）是一种酪氨酸激酶受体，在很多实体瘤（结肠直肠癌、非小细胞肺癌、鳞状细胞癌和乳腺癌）中过度表达，使其成为抗肿瘤药物递送的靶点。

（2）隐形脂质体

虽然靶向脂质体对特定细胞类型具有高度选择性，但它们会被吞噬细胞从血液中迅速清除。为解决这个问题，经常以生物相容性的惰性聚合物对脂质体进行包衣，常用的材料是吞噬细胞不可识别的聚乙二醇（PEG），脂质体外层形成致密构象云成为“隐形”脂质体（Stealth Liposomes）。

将PEG共价连接到化合物上使其聚乙二醇化，最初是为了帮助蛋白质药物避免身体的免疫反应而开发的，但后来发现可以通过空间位阻用来修饰脂质体表面，对于改善脂质体的表面性质特别有效。脂质体的循环半衰期取决于脂质体表面聚合物链的长度和密度。延长脂质体的循环半衰期能通过EPR效应增加脂质体在肿瘤组织的被动蓄积，进一步提高药物疗效。

（3）刺激响应脂质体

刺激响应脂质体（Stimuli-responsive Liposomes）是一种设计暴露于物理化学或生物化学刺激时可控制释放包载药物的脂质体。刺激响应脂质体对特定的触发因素进行应答，在需要的部位释放包载的药物，提高药物疗效并减少毒副作用。

目前已有对温度、pH、酶、光、磁场和电场以及超声波有刺激响应的脂质体研究。在这些刺激中，pH敏感型脂质体是最值得期待，因为体内存在多种pH梯度。当脂质体被刺激响应时，脂质体会发生相变（凝胶相和液晶相之间或层状和非层状相之间变化），从而改变脂质体的膜通透性。

温度响应已被广泛用于抗癌药物递送系统，当温敏型脂质体暴露于温和的局部热疗时，脂质接近其液晶相变温度，在固体和流体域之间产生无序有利于渗透水溶性分子，实现所包载药物在肿瘤部位的突释。

表2 刺激响应型脂质体实例

5、非层状脂质纳米粒

其他类型的脂质纳米粒也已被研究用于药物递送。在药物递送中使用非层状脂质相以及在吸入药物的控释制剂中使用倒立方和六边液晶相相关的技术发表于20世纪80年代。

（1）立方脂质体

立方脂质体（Cubosomes）是由脂质立方相形成并由基于聚合物的外冠高度稳定的纳米粒，近来被开发为脂质药物纳米载体。立方脂质体在生理条件下高度稳定。可以调整立方脂质体的组成以控制其孔径并包载生物活性脂质；聚合物外冠可用于控制立方脂质体包载药物的释放位置。与脂质体相比，立方脂质体为膜蛋白和小分子药物的包载提供了更高的膜表面积。这种特性组合使立方脂质体可用于各种应用，例如药物输送系统、膜生物反应器、人工细胞和生物传感器。

立方脂质体由两亲性脂质和稳定剂组成。是两亲性脂质和表面活性剂在水中自发形成的双连续的立方液晶纳米分散体系，即脂质和表面活性剂结合水形成立方液晶相，再以类似固体纳米粒的形式分散在过量的水中形成分散体系，其中水溶性药物可以包封在类脂立方液晶的水道中，脂溶性的药物包封在脂质双分子层中，两亲性分子可贯穿其中。立方脂质体介于层状液晶、六角液晶之间的一种相态，具有更好的热力学稳定性、生物黏附性、生物可降解性、多样性包载药物能力等特点。

为防止立方脂质体重组为体积立方相，常用的稳定剂为聚合物。最常见的立方脂质体组合物使用单油酸甘油酯作为脂质成分，泊洛沙姆407作为稳定表面活性剂；单油酸甘油酯表面活性剂混合物占分散体总重量的2.5% 至10%。除泊洛沙姆407 外，聚乙烯醇也用作分散体的稳定剂。

（2）六角脂质体

六角脂质体（Hexosomes）是另一种类型的脂质纳米粒，其中脂质形成非层状相——倒六角相 H II。六角脂质体的组成类似于立方脂质体，包含两亲性脂质、聚合物稳定剂和水。胶束是具有疏水核和亲水壳的非层状脂质纳米粒，已成功用于难溶于水药物的溶解。具有亲水核和疏水壳的反胶束已被用于将亲水分子，如在复杂的脂质载体中包载核酸。

6、醇质体

醇质体（Ethosomes）是含有高比例（20~45%）乙醇的磷脂纳米粒，具有药物包封率高、可变形性好、皮肤刺激性小、透皮效果佳等诸多优点。乙醇作为良好的透皮吸收促进剂，在其中可以改变角质层脂质分子的排列，增加醇质体的渗透性和柔性，使其更易通过皮肤最外层角质层的毛孔，用于药物和化妆品的透皮递送。

这种递送途径为脂质体制剂提供了可替代方案，避免口服药物递送中胃肠道引起的并发症。使用醇质体配方的商业产品包括抗脂肪团（Cellutight EF、Noicellex、Skin Genuity、Osmotics Lipoduction）和抗衰老剂（Decorin）、包括米诺地尔（Nanominox）和阿昔洛韦（Supravir）在内的毛发生长刺激剂，以及用于治疗疱疹病毒感染的局部乳膏。

7、声学脂质体

声学脂质体（Echogenic Liposomes）是一种用于超声造影剂的声学活性脂质体，是基于微小气泡反射诊断超声波的发现而开发。气液界面提供很大的密度不连续性，并且能高效反射声音。包载于脂质体中的气体微泡改善了医学声学成像。声学脂质体还能提供额外的治疗应用，例如超声控制的药物输送和超声增强血栓溶解（超声溶栓）。

参考文献

Lipid Nanoparticles—From Liposomes to mRNA Vaccine Delivery, a Landscape of Research Diversity and Advancement

转自：“国家纳米科学中心”微信公众号

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