JACS 重磅｜单组分树状大分子载体实现 mRNA 器官精准靶向递送

JACS 重磅｜单组分树状大分子载体实现 mRNA 器官精准靶向递送

导读：诺奖得主 Drew Weissman 的核苷修饰技术与四组分 LNP 递送体系，是新冠 mRNA 疫苗成功落地的两大核心支撑。2021 年，依托 LNP 技术的新冠 mRNA 疫苗迎来临床突破，但其团队并未止步于这套传统四组分脂质载体，联合 Virgil Percec 在《Journal of the American Chemical Society》刊发重磅通讯，前瞻性开辟 DNP 递送新赛道。研究构建极简单组分可离子化两亲 Janus 树状大分子（IAJD）递送平台，该分子可与 mRNA 自组装形成 DNP 纳米颗粒；仅通过分子结构微调即可自由切换 mRNA 在肺、肝、脾脏的靶向分布，大幅降低合成与制剂门槛，为突破传统 LNP 配方繁杂、靶向单一的局限，拓展 mRNA 疫苗与基因治疗全新研究路径。

01 研究背景：传统 LNP 体系的固有瓶颈

现阶段临床成熟的 mRNA 递送载体，均为四组分脂质纳米颗粒（LNP）体系，依靠可电离脂质、磷脂、胆固醇、PEG 化脂质复配协同完成 mRNA 包封与胞内递送。该体系依托成熟工艺支撑了新冠 mRNA 疫苗的快速落地，但始终存在难以突破的结构性短板：多组分复配体系配方复杂、批次稳定性调控难度大，且组织靶向性固化，天然偏向肝脏富集，无法按需实现肺、脾等多器官精准靶向递送，极大限制了 mRNA 技术在呼吸道疾病、脾脏免疫疫苗、多器官基因治疗领域的拓展应用。

为解决上述痛点，宾大 Drew Weissman 与 Virgil Percec 联合团队，基于前期 Janus 树状大分子研究基础，迭代开发出单组分可离子化两亲 Janus 树状大分子（IAJD），构建包含 31 种变体的完整分子库用于高通量构效筛选，搭建出结构可控、靶向可调的新型 DNP（树状囊泡纳米颗粒）mRNA 递送平台。

02 极简模块化合成：从 14 步精简至 3–4 步

此研究最大的工艺突破，是对初代 IAJD 复杂合成路线的极致精简，彻底摆脱传统脂质载体繁琐的保护 - 脱保护循环流程，搭建了高效、可量产的模块化合成体系。 初代 IAJD 依赖复杂亲水片段修饰，合成流程长达 14 步；此研究重构分子结构，剔除冗余的甲氧基三甘醇亲水基团，仅保留核心功能单元 —— 可质子化电离胺基，同时优化疏水枝链连接结构，根据骨架不同实现超短流程合成：

· 季戊四醇疏水骨架：仅需3 步反应即可完成全分子合成

· 可再生酚酸疏水骨架：仅需4 步反应即可完成全分子合成

整套合成工艺仅依托醚化、还原、酯化、胺基烷基化等常规、高定量有机反应，单批次反应时长仅 1–5 h，产物分离收率优异。相较于 Moderna、辉瑞商用离子脂质（5–6 步合成 + 额外 6 步 PEG 脂质制备），工艺复杂度大幅降低，为载体规模化制备奠定了核心基础。

结构设计上，质子化可电离胺基兼具双重核心功能：既作为分子亲水单元保障两亲性，又可通过静电作用特异性结合带负电的 mRNA，真正实现单分子多功能集成，替代传统 LNP 四种组分的协同功能。

03 DNP 自组装成型：高包封率、结构均一稳定

优化后的 IAJD 分子具备优异的两亲自组装特性，在 pH=4 的乙酸缓冲体系中，可与 mRNA 自发共组装形成尺寸均一、分散性优异的DNP 树状囊泡纳米颗粒。该组装方式条件温和、适配性强，对 mRNA 结构无损伤，最终实现＞97% 的超高包封率，完全满足体内递送的制剂要求。

理化表征显示，全系列 31 种 IAJD 衍生 DNP 粒径均匀、多分散系数（PDI）优异，且 29 种具备体内活性的 IAJD 衍生 DNP 中，27 种可在 5℃条件下长期稳定储存，低温稳定性远超传统 LNP 体系，有效降低制剂储运门槛。

04 分子结构精准调控，实现器官靶向自由切换

团队系统构建了包含 31 种结构变体的 IAJD 分子库，挑选代表性分子开展活体动物荧光成像实验，通过精准调控连接键类型、疏水烷基链组合、苯环取代位点三大结构参数，实现 mRNA 肺、肝、脾三大器官的靶向精准切换，完整揭示疏水片段一级结构与体内靶向分布的精准构效关系。

1. 连接键调控：决定肺 / 肝脾靶向基底走向

IAJD 亲水胺基单元与疏水树状枝链的连接键，是靶向调控的核心开关：酯键连接构型主要介导 mRNA 向肝脏、脾脏富集；将酯键替换为酰胺键，可直接逆转靶向特性，使 mRNA 重新靶向肺部组织，为呼吸道 mRNA 疫苗、肺部基因治疗提供全新载体方案。

2. 疏水烷基链调控：细化肝、脾靶向偏好

疏水枝链的烷基碳链长度、奇偶搭配组合，可精准细化内脏靶向分布：非对称奇偶碳链组合（11+14、11+16、11+18 碳），可实现 mRNA肝脏优先靶向；对称偶数碳链组合（12+16、12+18 碳），则主要介导 mRNA脾脏富集；14 碳对称烷基链构型，可实现肝、脾双器官均衡靶向。

3. 苯环取代位点调控：辅助优化靶向效率

疏水片段苯环的取代模式（3,5 - 取代→3,4 - 取代），可进一步微调纳米颗粒的体内分布特性，辅助优化靶向精准度，为靶向精度的精细化调控提供更多设计维度。

05 体内外活性验证：高效广谱的递送性能

体内外转染实验数据显示，该新型 IAJD/DNP 递送体系展现出远超初代载体的综合性能：31 种 IAJD 分子中，94%（29 种）具备有效体内递送活性，较初代 IAJD 体系活性提升 37%；58% 的分子可实现高效体外转染。 研究同时首次明确了 mRNA 递送领域的经典难题：体外细胞活性与体内动物活性无绝对正相关，部分体外无明显活性的 IAJD 分子，可实现优异的体内靶向递送效果，为后续解析 mRNA 递送的体内微环境机制、优化载体设计提供了重要实验依据。

06微量核酸载体制备痛点与 TAMARA 自动化解决方案

在 IAJDs 包封 mRNA 构建 DNP 纳米载体研发中，传统人工移液混合制备高度依赖实验人员操作，结果重现性难以保障；加之载体合成原料稀缺，可使用反应体积极低，给配方开发带来巨大挑战。

TAMARA 自动化纳米制备平台适配微量体系、原料损耗低，有效摆脱对操作人员经验的依赖，显著提升实验稳健性，精准匹配该类前沿载体开发需求。