除了用来开发疫苗，mRNA 技术还可以用来治疗癌症及遗传疾病。正如 mRNA 新冠疫苗一样，这些 mRNA 治疗剂也需要通过脂质纳米颗粒（LNP）递送到靶细胞来发挥作用。因此，筛选有效的 LNP 成为了决定 mRNA 疗法成功与否的关键之一。
2022年6月30日，佐治亚理工学院和埃默里大学医学院的 James Dahlman 等人在 Nature 子刊 Nature Nanotechnology 发表了题为：Nanoparticle single-cell multiomic readouts reveal that cell heterogeneity influences lipid nanoparticle-mediated messenger RNA delivery 的研究论文【1】。
该研究开发了一种新型脂质纳米颗粒（LNP）递送载体的筛选技术，这项技术可能代表着高通量 LNP 发现领域的重要飞跃。该技术能够识别表现出不同 LNP 摄取能力的细胞亚型以及与这些亚型相关的基因，这可使临床前纳米颗粒载体研究更具预测性，并有望加速 mRNA 疗法的发展。
值得一提的是，James Dahlman 曾创立 LNP 筛选和研发公司 Guide Therapeutics，该公司于2021年2月被刘如谦、张锋等人创立的 Beam Therapeutics 以4.4亿美元（预付款1.2亿美元+里程碑付款3.2亿美元）的价格收购。
给LNP打上 “DNA条形码”
数年前，James Dahlman 及其合作者开发了一种名为 DNA 条形码的技术，可以对他们定制的许多运载工具同时进行快速筛选。
图源：Foglets Science Discovery
研究人员将独特的 DNA 片段插入到不同的 LNP 中，并注射到细胞内，随后使用基因测序来检查细胞是否存在该“条形码”。该系统可以识别哪些“条形码”DNA 到达了特定目标，从而筛选出递送效果最好的纳米颗粒。
这一技术允许一次性检测多条 DNA 序列，因此使得许多实验可以同时进行，从而加速了有效 LNP 载体的发现过程。
细胞异质性影响载体递送效果
DNA 条形码技术显著改善了纳米颗粒的临床前筛选过程。但是药物递送还存在着另一个障碍：研究人员发现以往被认为是同质的细胞实际上是由彼此不同的细胞亚型组成。他们认为细胞亚型的化学和遗传异质性会影响 LNP 的递送，进而影响其递送的 mRNA 药物的疗效。
为了验证他们的假设，研究人员开发了一种多组学纳米颗粒递送系统，即单细胞纳米颗粒靶向测序（SENT-seq）。使用 SENT-seq，研究人员能够量化分析 LNP 如何将 DNA 条形码和 mRNA 传递到细胞中，以及 mRNA 药物如何促进蛋白质生产等问题。
在这项研究中，研究人员通过对每个细胞中的条形码计数来量化分析 LNP 介导的 DNA 条形码在不同细胞亚型中的递送效果。结果显示，小鼠肝脏中的17种细胞亚型表现出不同程度的条形码读取结果，表明细胞异质性确实会影响 LNP 在体内的传递。
多种基因影响LNP介导的mRNA传递
除了测试药物的疗效和特定细胞亚型对纳米颗粒的反应之外，研究人员还进一步研究了哪些基因决定了细胞对LNP的成功摄取。
他们对表现出差异性递送的细胞进行了基因表达分析，发现包含周期蛋白依赖激酶 CDK13 和 CDK14 基因在内的11个基因起到了关键作用。这些分子可以帮助调节细胞周期和 mRNA 处理过程，因此有可能是使得细胞的功能性递送水平升高的原因。后续的实验结果论证了这些基因的下调会影响 LNP 介导的 mRNA 传递或表达。他们发现在 LNP 递送效果最差的内皮细胞亚型三（EC3）中，这些基因的表达水平都显著降低或下调。
筛选出最佳的LNP
不同的细胞亚群与 LNP 的相互作用存在差异，因此化学上不同的 LNP 可能在不同的细胞亚群中表现出不同的趋向性。
研究人员在全部17种细胞亚型中测试了多种 LNP 的递送效果（这些LNP都含有特定的二维码标记）。结果表明 LNP-3、LNP-7、LNP-10 和 LNP-12 具有最好的递送效果。其中，LNP-12 具有更高的药物表达/二维码比例，这意味着每次 LNP-12 介导核酸成功进入细胞后，有更多的 mRNA 递送表达出了药物蛋白（aVHH），表明 LNP-12 具有更好的递送 mRNA 的能力。
开发更好的mRNA疗法
“（我们的研究）数据表明，不同的细胞亚群对纳米颗粒有不同的反应，这影响了mRNA治疗的效果”，本研究的通讯作者 James Dahlman 表示，“虽然仍有很多工作要做，但我们认为，同时检测高通量纳米颗粒递送和细胞对纳米颗粒的反应的能力将帮助我们开发出更好的 mRNA 疗法”。
值得一提的是，James Dahlman 等人一直致力于开发更好的 mRNA 疗法以及寻找适用于 mRNA 药物递送的载体系统。他们已经开发出了一种专门通过喷雾器吸入肺部的 LNP【2】。在他们的实验中，这种 LNP 有效地递送了治疗性 mRNA，且递送效率高于先前存在的所有 LNP，成功地保护了实验小鼠，使其免受致命流感的侵袭。
