脂質納米顆粒作為 covid 19 mRNA 疫苗的重要組成部分，在有效保護 mRNA 和將 mRNA 轉運到細胞的過程中發揮關鍵作用。裸的 DNA 或 RNA 在體液中容易被核酸酶迅速降解，難以在靶組織中積累。且免疫系統也能夠識別并降解外源性的核酸引發免疫反應[1]。
基于 DNA 或 RNA 的基因療法遇到的最大問題便是藥物遞送。為了實現安全有效的核酸遞送，科學家們開發了脂質納米顆粒（Lipid nanoparticle, LNP）以保護核酸不被降解，最大限度地向靶細胞遞送，并減少核酸對脫靶細胞的暴露。
“脂質體"一詞出現于上世紀六十年代，當時發現封閉的脂質雙層囊泡能在水中自發形成。脂質體是一種納米載體，由一個或幾個脂質雙層組成，大小在 20 nM 到 1000 nM 之間，親水性藥物可以封閉在脂質體的水性內部區域，而疏水性藥物可以包裹在脂雙層的烴鏈區域中[1]。因此，脂質體被廣泛研究用于藥物輸送。脂質體能夠穩定用于治療的化合物并克服細胞和組織吸收的障礙[2][3]，改善化合物對疾病部位的靶向性，從而減少在非靶器官中的積累[4]。根據給藥途徑和疾病部位，結合不同遞送平臺的脂質體可以進一步改善封裝化合物的遞送。
圖 1. 不同類型脂質體藥物遞送系統的示意圖[4]。
(A) 傳統脂質體；(B) 聚乙二醇化脂質體；(C) 配體靶向脂質體；(D) 治療診斷脂質體。
脂質納米顆粒是由一個 (單層) 或多個 (多層) 磷脂雙層組成的球形囊泡，通常由四種成分組成：陽離子脂質 (Cationic lipids)、輔助脂質 (Helper lipids)、膽固醇 (Cholesterol) 和聚乙二醇化脂質 (Pegylated lipids, PEG-lipids) (圖 2)。
圖 2. 含有 mRNA 的脂質納米顆粒的示意圖[1]。
? 陽離子脂質
最早的脂質納米顆粒使用的是陽離子脂質，其容易與帶負電荷的核酸結合。但是這種基于陽離子脂質的遞送系統在體內和體外都具有毒性和免疫原性。例如 DOTAP 和 DOTMA可以被帶負電荷的血清蛋白中和，導致毒性和功效降低[1]。作為一種替代方案，可電離的陽離子脂質（Ionizable cationic lipids）被開發出來，它減少了陽離子脂質納米顆粒引起的毒性，同時保留了有效的轉染特性。可電離的陽離子脂質（如 DLin-KC2-DMA 和 D-Lin-MC3-DMA）的可電離叔胺部分在酸性 pH 值下帶凈正電荷，但在血液循環系統中 (pH 7.4) 保持中性[5]。這種 pH 敏感性有利于核酸藥物在體內的傳遞，因為保持中性的脂質納米顆粒與血細胞陰離子膜的相互作用較少，從而提高了脂質納米顆粒的生物相容性。一般情況下，細胞通過內吞作用攝取脂質納米顆粒。當脂質納米顆粒進入 pH 值較低的內涵體中，可電離的陽離子脂質被質子化變得帶正電荷，這促進內涵體膜的不穩定，使膜破裂，脂質納米顆粒發生內涵體逃逸[6]。目前，有五種主要的可電離脂質類型廣泛用于 RNA 遞送[7]。
圖 3. 可電離脂質和五種主要結構類別的可電離脂質破壞內體的機制[7]。
陰離子內體磷脂和質子化的可電離脂質形成的錐形離子對可以破壞雙層結構，促進內體逃逸。根據其結構特性，RNA 遞送的可電離脂質可分為不飽和（含有不飽和鍵）、多尾（含有兩個以上尾）、聚合（含有聚合物或樹枝狀聚合物）、可生物降解（含有可生物降解鍵）和尾部支鏈脂質（包含分支尾部）。
? 聚乙二醇化脂質
聚乙二醇化脂質是另一種重要的脂質納米顆粒成分，聚乙二醇脂質（如 DMG-PEG 2000 和 DSPE-MPEG-2000）是由親水性聚乙二醇通過磷酸鹽、甘油或其他連接物與疏水性烷基鏈結合而成。 聚乙二醇化脂質位于脂質納米顆粒的表面，脂質結構域深埋在顆粒中，聚乙二醇結構域從表面伸出。
聚乙二醇化脂質可以延長脂質體的循環時間，因為聚乙二醇形成了一個空間屏障，防止血漿蛋白的結合，否則會導致它們被網狀內皮細胞快速清除[8]。
此外，聚乙二醇化脂質還可以控制納米顆粒的大小。這是因為在制造過程中低 pH 和乙醇環境將促進脂質納米顆粒聚集融合，而聚乙二醇化脂質的位阻屏障防止了這種情況的發生，并有助于產生具有窄多分散性和小粒徑的均勻顆粒群 (通常為50–100 nM)[8][9]。缺少聚乙二醇脂質的配方會產生不穩定的、多分散的脂質納米顆粒[9]。
圖 4. 聚乙二醇脂質含量對脂質納米顆粒形態和大小的影響[10]。
? 膽固醇
膽固醇具有疏水性和剛性，可填充脂質體膜內脂質之間的空隙，促進囊泡的穩定性。膽固醇衍生物的分子幾何結構可以進一步影響脂質納米顆粒的遞送效果和生物分布。輔助脂質多為磷脂（phospholipids)，如 DSPC 和 DOPE，通過促進與細胞和內體膜的融合，促進細胞攝取和內涵體釋放。
已知超過 40% 治療癌癥的小分子藥物在水中溶解度低，而脂質體作為藥物遞送系統能夠封裝這些藥物并提高其水溶性，降低了藥物對正常組織的毒性，延長了藥物的停留時間。許多脂質納米顆粒藥物制劑已經被廣泛應用于許多臨床試驗，作為抗癌、抗炎、抗生素、抗真菌、麻醉劑和其他藥物和基因療法的遞送系統，尤其是在遞送核酸藥物領域。
例如，最早獲批的脂質體藥物 Doxil，一種抗腫瘤藥物阿霉素的脂質納米粒制劑，使用納米顆粒延長在人血漿中的循環時間，同時降低阿霉素的心臟毒性[11]。
其次，核酸藥物 Patisiran，一種在脂質納米顆粒負載的 siRNA 藥物，可減少肝臟中轉甲狀腺素蛋白的形成，最近獲得 FDA 批準用于治療遺傳性轉甲狀腺素蛋白介導的淀粉樣變性。它是最早獲批脂質納米顆粒制劑核酸藥物，被視作核酸療法發展的重要里程碑。
此外，脂質納米顆粒新的成功應用是 Pfizer/BioNTech 和 Moderna 獲批上市的兩種 covid 19 mRNA 疫苗的遞送載體。兩種 mRNA 疫苗的脂質納米顆粒的組成非常相似（圖 5A）。
圖 5. covid 19 mRNA 疫苗脂質納米顆粒[11]。
A： covid 19 mRNA 疫苗脂質納米顆粒的脂質成；B： covid 19 mRNA 疫苗脂質納米顆粒的脂質成分的結構。
不過，未經修飾的脂質納米顆粒同樣具有局限性。脂質納米顆粒會在肝臟積聚，缺乏肝臟以外器官靶向選擇性。
一篇題為"Lung-selective mRNA delivery of synthetic lipid nanoparticles for the treatment of pulmonary lymphangioleiomyomatosis" 的文章中，研究團隊通過文庫篩選發現 N 系列脂質（尾部含有酰胺鍵）制備的納米顆粒能夠選擇性地將 Cre mRNA 遞送到小鼠肺中，而且只要調整 N 系列脂質的頭部結構就可以實現靶向不同的肺細胞類型（圖 4）。
在 306-N16B LNP 中，33.6% 的肺內皮細胞被轉染，1.5% 的上皮細胞和 1.9% 的巨噬細胞被轉染。而 113-N16B LNP 優先將 Cre mRNA 傳遞給內皮細胞（占內皮細胞總數的 69.6%），但也傳遞給巨噬細胞 (18.9%) 和上皮細胞 (7.3%) 。這一研究有助于解決脂質納米顆粒向肝臟以外器官（如肺和腎）的有效遞送的問題。
圖 6. 通過調整脂質的頭部結構的頭部結構，脂質納米顆粒可以靶向不同類型的肺細胞[12]。
(A) 將 Cre mRNA 傳遞到 tdTomato 轉基因 Ai14 小鼠腹部的示意圖。(B, C) IVIS 成像系統拍攝的 Ai14 小鼠不同器官中 tdTomato 熒光的圖像，共聚焦顯微鏡拍攝的肺組織的免疫熒光圖像，以及通過流式細胞術對 306-N16B (B) 和 113-N16B (C) LNPs 定量分析 tdTomato 陽性細胞在肺部特定細胞類型中的百分比。
脂質納米顆粒能夠將不同藥物（mRNA、siRNA和小分子藥物等）包封并可控地輸送到體內的特定部位，這使得它們對治療多種疾病非常有用。隨著相關技術的發展相信脂質納米顆粒會幫助更多藥物實現高效遞送。
| DOTAP一種陽離子脂質，可用于脂質納米顆粒的合成。 |
| DOTMA一種陽離子脂質，可用于脂質納米顆粒的合成。 |
| DLin-KC2-DMA一種陽離子脂質，可用于脂質納米顆粒的合成。 |
| D-Lin-MC3-DMA一種陽離子脂質，可用于脂質納米顆粒的合成。 |
| ALC-0315一種陽離子脂質，可用于脂質納米顆粒的合成。 |
| ALC-0159一種陽離子脂質，可用于脂質納米顆粒的合成。 |
| SM-102一種陽離子脂質，可用于脂質納米顆粒的合成。 |
| 306-N16B一種陽離子脂質，可用于脂質納米顆粒的合成。 |
| 113-N16B一種陽離子脂質，可用于脂質納米顆粒的合成。 |
| DMG-PEG2000一種聚乙二醇化脂質，可用于脂質納米顆粒的合成 。 |
| DSPE-MPEG2000一種聚乙二醇化脂質，可用于脂質納米顆粒的合成。 |
| DSPC一種磷脂，可用于脂質納米顆粒的合成。 |
| DOPE一種磷脂，可用于脂質納米顆粒的合成。 |
| Cholesterol膽固醇，可用于脂質納米顆粒的合成 。 |
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