调整可离子化的阳离子脂质设计，提高功效和安全性

脂质纳米颗粒（LNPs）有望che底改变以核酸为基础的疗法。虽然人们已经做出许多努力来提高LNPs中所用阳离子脂质的功效，但其安全性不容忽视。虽然阳离子脂质在递送核酸方面很早就取得了成功，但由于存在安全风险，它们在治疗方面的适用性大打折扣。通过设计具有生物相容性和生物可降解功能基团的可离子化阳离子脂质，可在这一领域取得重大进展。

具有生物相容性的可电离头部基团

早期用于递送核酸的脂质包括DOTAP和DOTMA1。这些脂质含有一个季铵头基（图1），

赋予脂质yong久的阳离子电荷。这些脂质含有季铵头基（图1），赋予脂质yong久的阳离子电荷2。此外，阳离子脂质与带负电荷的生物膜不相容，会造成细胞膜破坏，导致不可接受的细胞毒性3,4。许多科学家在基于细胞的实验中使用阳离子转染试剂时都亲身经历过这种情况，他们不得不在目标表达（或基因敲除）和细胞毒性之间寻找一种谨慎的平衡。

图1.季铵头基与可电离叔胺头基的比较。DOTAP是含有季铵头基的阳离子脂质，DODAP是其可电离衍生物。

基于核酸的疗法的一个重大进步是发现可电离的阳离子脂质避免了不良的细胞毒性。这些脂质在头基中含有一种或多种pH响应性可电离叔胺，仅当pH值低于酸碱解离常数(pKa)时才获得阳离子电荷5-8。这种瞬时阳离子电荷有助于在LNP配制过程中在酸性条件下封装带负电荷的核酸治疗剂，并通过内体的低pH值释放它。在中性pH(~7)下，可电离的阳离子脂质的电荷接近于零，从而提高了稳定性并避免了使用阳离子脂质配制的LNP观察到的细胞毒性9。

酯键的生物降解性

通过在连接基团中掺入酯或嵌入脂质尾部以提高生物降解性，实现了基于核酸的治疗剂递送的又一进步7。已观察到某些阳离子和可电离阳离子脂质具有较长的组织半衰期，这可能会导致给药后的局部和全身不良反应10,11。因此，可生物降解的脂质可以避免脂质积累和不良细胞毒性，因为它们会被迅速消除9。

酯和醚连接基团是最先研究的连接基团之一1。醚连接基团被发现非常有效且稳定，但不可生物降解。因此，它们通常比基于酯的对应物具有更强的细胞毒性。用酯基团取代醚基团可提高脂质的生物降解性。酯在生理pH值下（例如LNP在体内分布期间）稳定，但在细胞中经过酶水解，形成亲水产物，并迅速消除，限制组织积累5,7。酯是新型可电离脂质中反复出现的结构主题，表明生物降解性是新型可电离阳离子脂质设计的关键特征。

DLin-MC3-DMA是DLin-DMA的含酯衍生物，是Patisiran中的可电离阳离子脂质成分，Patisiran是shou个获得FDA批准的LNP制剂（图2）2。它已被用作设计新型含酯可电离阳离子脂质（如SM-102、脂质5和L-319）的基准，这些脂质具有更好的组织药代动力学和生物降解性8,10,11。

图2.用酯类基团取代DLin-DMA中的醚类基团可生成DLin-MC3-DMA。

DLin-MC3-DMA是帕替西兰中使用的可离子化阳离子脂质，patisiran是shou个获得FDA批准的LNP制剂。

用于生物还原性的二硫键

在新型可电离阳离子脂质的连接体和/或疏水尾部加入可生物还原的二硫键是一种新兴技术7。由于还原型谷胱甘肽（GSH）在细胞质中浓度很高，因此细胞内环境具有高度还原性12。可电离阳离子脂质中的二硫键与GSH发生二硫交换，导致二硫键降解，核酸货物释放到细胞质中。使用可生物还原的脂质可加速核酸的释放，从而提高向细胞质输送核酸的效率，从而增强给药LNP的效力。这样，就可以避免使用大量的RNA，因为RNA既昂贵又可能产生免疫原性。

在脂质设计中整合多种环境响应特性

两类可离子化阳离子脂质整合了pH响应头基、可生物降解酯和可生物还原的二硫键。SS可溶解和pH活性（也称质子活性）类脂质材料（ssPalms）具有疏水支架，可将货物运送到目标组织和亚细胞位置13。这些支架包括肉豆蔻酸(ssPalmM)、油酸(ssPalmO)、维生素A(ssPalmA)和维生素E(ssPalmE)以及经结构修饰的衍生物，如ssPalmO-Phe14。O系列（其中O表示酯连接基）的一个子集可电离阳离子脂质也含有可生物还原的二硫键。这些脂质按以下方案命名：R-OXB，其中R是胺头的身份，X代表疏水尾部的长度，B代表可生物还原的二硫键（图3）15。例如，306-O12B是一种具有12个碳原子尾部、以胺306为头部基团的可生物还原脂质。

图3.O系列脂质命名法以306-O12B为例。O系列可电离阳离子脂质的胺头基团的结构特征可以在Li等人的文献中找到。

有趣的是，两种脂质类别都可以针对特定组织、细胞和/或亚细胞位置进行定制，包括众所zhou知的困难目标。ssPalmA使用维生素A支架通过细胞视黄酸结合蛋白II(CRABPII)将pDNA靶向细胞核16。NT1-O14B利用基于色胺的头基使LNP能够穿过血脑屏障，而血脑屏障是向大脑输送小分子抑制剂和基于RNA的治疗药物的主要障碍17。通过这种方法，用NT1-O14B和306-O12B配制的LNP可将针对tau蛋白的反义寡核苷酸(ASO)递送至小鼠大脑，为治疗阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病开辟了一种有趣的策略。

其他可离子化的阳离子脂质已被证明可在新型抗癌方法中靶向组织18。BAMPA-O16B配制的LNPs载有靶向CD47和程序性细胞死亡蛋白配体1(PD-L1)的siRNA，可以穿过血脑屏障，减少肿瘤生长，提高多形性胶质母细胞瘤（一种侵袭性脑癌，预后较差）小鼠模型的存活率。用113-O12B配制的LNP在小鼠淋巴结中特异性积累19。在小鼠黑色素瘤模型中，含有113-O12B并封装有mRNA癌症疫苗的LNPs能增加肿瘤CD8+T细胞和活化树突状细胞的数量。因此，利用LNPs的多种用途和组织靶向能力，有可能开发出下一代疗法和疫苗。

合理和组合设计方法

合理设计和组合设计方法将继续推动可离子化阳离子脂质的发展。理想的可离子化阳离子脂质应实现结构特征与功能基团的wan美结合，从而兼顾安全性和有效性。可离子化阳离子脂质可以建立一些基本的结构-活性关系，战略性地选择功能基团（如维生素A、色胺基头部基团）可以提高其功效。综上所述，在合成新的可离子化阳离子脂质时，可以采用合理的设计方法。然而，可离子化阳离子脂质之间的大多数结构-活性关系很难一概而论。每种成分都会影响脂质的整体行为，脂质结构的细微变化会带来巨大的功能差异。因此，另一种方法是合成化学性质不同的大型组合脂质库，然后通过高通量筛选方法评估其活性，以确定主要候选物。

阳离子和可电离阳离子脂类概览

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