基于脂质纳米颗粒的药物递送是一个迷人的概念，自COVID-19 mRNA疫苗发布以来，它受到了很多关注。我很好奇，想要了解更多关于药物传递目的和相关领域的脂质纳米颗粒设计，我有机会与他交谈Fredrik教授Höök他是查尔姆斯理工大学物理系纳米和生物物理学教授，从事这一科学领域的工作。
Höök教授说，我们在大流行前4- 5年就开始了这项工作。那时，制药公司已经对RNA传递的概念感兴趣。我们研究小组90%的工作是使用表面分析工具来研究生物界面过程。在过去的几年里，我们一直非常专注于生物纳米颗粒的研究，从病毒以及病毒如何与模拟细胞表面相互作用，到细胞外囊泡，可以被描述为细胞释放的生物纳米颗粒，以解决类似的问题。
当涉及到细胞外囊泡时，我们也描述了它们的特性，Höök教授继续说道。细胞外囊泡是相当不均匀的，这使得一些实验室技术的描述变得复杂，如表面等离子体共振或药物．因此，我们在高分辨率显微镜下做了很多工作，包括无标记和荧光标记的方法。这些知识导致了最近对脂质纳米颗粒设计的兴趣，用于药物传递目的。我们的工作本身并不是疫苗开发，但脂质纳米颗粒配方与那些已经或迄今为止似乎拯救了我们许多人渡过大流行的疫苗有很大的相似之处。Höök教授说，这是对我们所做工作的一个简短总结。
以前我是主任，但实际上我也是工业研究中心的活动协调人FoRmulaExHöök教授说。该中心起源于瑞典战略研究基金会(SSF)的号召，他们要求工业界向学术界提出他们无法直接解决，但他们预见有学术研究需求的问题。学术小组涵盖医学和生物学能力，以及有机合成、生物成像和生物纳米颗粒分析能力。我的团队是最后一块蛋糕。Höök教授说:“所以，我在中心有一个小活动，但当然比我的份额要广泛得多。”
Höök教授解释说，在COVID-19大流行期间成功推出的mRNA疫苗是基于一种脂质纳米颗粒配方，这种配方包裹了mRNA，并充当药物载体。然而，事实是，mRNA一直传递到细胞的效率非常低，在细胞中，mRNA被转化为蛋白质，在疫苗的情况下——触发免疫反应的刺突蛋白。它只占注射mRNA的1-2%。Höök教授说:“如果我们能提高给药效率，就能减少剂量。”
他继续说，RNA还实现了触发免疫反应的目的。例如，在疫苗的情况下，高剂量会引发免疫反应，这在这种情况下非常有用。所以低效率不是什么大问题。但如果你想用这个原理来治疗其他疾病，比如糖尿病、心血管疾病等等，我们需要提高效率，因为在这些情况下，当我们更频繁地接受药物治疗时，比如一周一次或一个月一次，我们不能接受注射疫苗时出现的那种反应。Höök教授说，提高效率并不是一个不切实际的目标，我们为此付出了很多努力。
图1。脂质纳米颗粒配方包裹mRNA并充当药物载体。mRNA被传递到细胞中，在那里它被转化为触发免疫反应的刺突蛋白。
Höök教授说:“当脂质纳米颗粒被吸收到细胞中时，有几个关键成分，我们正在研究其中的三个。”
我们正在研究的一个方面是，一旦脂质纳米颗粒被注射并与血清接触，它会发生什么。首先发生的是血清和血液中的蛋白质和生物分子包裹在脂质纳米颗粒上，形成所谓的日冕。Höök教授说:“这是一种表面反应，我们是研究表面反应的专家。”这个过程决定了脂质纳米颗粒被细胞吸收的效率，在某种程度上，也决定了它们被哪些细胞吸收。脂质纳米颗粒可以看到成千上万种不同的蛋白质，因此蛋白质冠的组成也会有所不同。每种脂质纳米颗粒都有不同组成的蛋白冠，但当然也有相似之处。某些结合的蛋白质对摄取至关重要，因为它们能被细胞表面的受体识别。因此，脂质纳米颗粒的蛋白质加冕的时间演变是我们正在研究的一个过程。
我们研究的第二个组成部分是，当蛋白质在加冕期间结合和pH值下降时，脂质纳米颗粒中涉及哪些结构变化，Höök教授继续说道。实际的脂质结构对下一个事件至关重要，一旦脂质纳米颗粒被细胞吸收，就会发生下一个事件，即所谓的内吞作用。这些结构变化很难用表面分析工具来检测，至少我们使用的那些是这样。虽然中子反射法有一定的可能性。Höök教授说:“我们现在正在研究这种方法，看看它是否能对我们有所帮助。”
Höök教授说，内吞作用可以解释为细胞的消化系统。当我们吃东西时，我们消化并照顾对我们有用的东西，然后我们摆脱剩下的。这些细胞具有相同的原理，而这个内体系统实现了这一目的。它们的主要作用是消化吸收的物质。核内体的酶机制和pH值显著下降。这当然会损害mRNA。因此，我们需要制定脂质纳米颗粒，使它们在核内体早期，经历某种物理化学变化，导致与核内体膜融合。Höök教授说:“据我所知，这种情况发生的诀窍并不是受病毒的影响。”
脂质纳米颗粒含有一种叫做得脂质．Höök教授解释说，这些可电离的脂质并不是天然存在于病毒中，它们使用其他ph诱导的触发器和基于蛋白质的系统来进行这种传递。但是，当细胞外和细胞质内的pH值接近中性时，核内体内的pH值从生理pH值7.4一直下降到4或5。随着pH值的下降，会有很多氢离子它们可以质子化可电离基团。因此，脂质纳米颗粒中的一个关键成分是一种可电离的脂质，随着pH值的下降，它会带正电。内体膜带负电荷，这导致脂质纳米颗粒和内体膜之间的结合，甚至这些膜之间的融合。一旦融合发生，信使rna就会逸出，或者可能是信使rna逸出，穿过内体膜。这是另一个涉及表面的过程脂质纳米颗粒表面和内体膜表面。因此，利用我们的表面分析工具，我们生成了核内体膜的模拟物，并研究了pH值如何影响脂质纳米颗粒与核内体之间的相互作用。Höök教授说，这是第三个组成部分。
图2。脂质纳米颗粒配方被设计用于保护货物一直到关键的内体逃逸事件。除了mRNA，该配方还包括几种不同类型的分子。可电离脂质有助于将mRNA包裹在载体中。也有保护性脂类，聚乙二醇脂类，一些传统的天然脂类和胆固醇。
Höök教授解释说，这种脂质纳米颗粒配方是为了保护货物一直到关键的内体逃逸事件，而可电离的脂质有助于将mRNA包装在载体中。脂质纳米颗粒是在低pH值下制造的，其中可电离的脂质带正电荷，然后它们在基于微流体的制造过程中与带负电荷的RNA结合。也有保护性脂类，胆固醇，聚乙二醇脂类，和一些传统的天然脂类。它们一起自发地形成脂质纳米颗粒，在货物受到保护的地方，最好一直到关键的逃逸事件。但这是一个复杂的过程，正如我已经提到的，效率不是很高。病毒的效率也不是100%。并不是每一个与细胞相互作用的病毒都被吸收。不过，效率可能会比我们目前达到的水平更高。当我说“我们”时，实际上并不是我们开发了这种脂质纳米颗粒设计。我们已经通过FoRmulaEx中的合作者了解了它们是如何制作的。 Much of this is common knowledge, but of course there is a lot of new knowledge that is generated that is not yet public, neither for us or for anyone else, because this is this is now a very, very hot topic where we try to contribute fundamental insights that potentially, or hopefully, could aid the further development of this delivery concept, Prof. Höök says.
Höök教授说，尽管我们使用的模型膜在某种意义上是非常简化的，但许多物理原理，如畴的形成、扩散事件等，仍然具有相当的代表性。在玻璃上形成支撑膜的主要限制是，玻璃是膜形成的少数材料之一，然而，无论是细胞器还是外细胞膜都不是在固体表面上。表面阻碍了脂质的流动性，畴的形成等等，这是将我们的观察转化为世界的一个障碍。人们一直致力于寻找分离膜和固体表面之间距离的方法，例如使用系留膜。Höök教授说，一旦这些将膜与表面分离的原理开始越来越确定，我们也将能够增加膜模拟的复杂性。
Höök教授继续说，增加膜复杂性的一种流行方法是混合膜，这已经在使用中。你拿一层细胞膜，将其与一小部分合成脂质混合，这种合成脂质可以促进平面上双分子层的形成。然后模拟细胞膜的复杂性。这个方向看起来很有希望。但还不能维持的是保持细胞膜的不对称性，即细胞膜一侧的脂质组成与另一侧的脂质组成不同。当涉及到平面膜时，不对称性就不存在了。你可以制造小泡，这样不对称性就得到了保留。这一点使囊泡变得有趣。然而，囊泡的一个缺点是，它不像在平面表面上那样直接使用表面分析工具，Höök教授说。
Höök教授说，我们在研究中使用的主要工具是QCM和表面等离子体共振(SPR)。我们不使用传统的Biacore SPR，而是在多个波长工作的光谱SPR。原因是，使用不同的波长，你产生的倏逝场在溶液中或多或少地延伸，从100纳米到200 - 300纳米，这取决于波长。如果你看的是真正的薄膜，这并不重要，但如果你研究，例如，表面的系带囊泡，响应是不同的，取决于你操作的波长，这让你可以相当准确地确定厚度。你也可以看看结构上的变化。由于光谱SPR允许我们确定膜的厚度，除了质量之外，我们还可以看到脂质纳米颗粒或囊泡上的蛋白质结合导致囊泡收缩的位置。引起这种兴趣的原因是这个信号揭示了结构变化。如果QCM有擅长的事情，那就是看到结构上的变化。对于刚性系统，我们可以相当准确地直接从QCM响应得知发生了什么。但是对于非刚性，粘弹性体系，它是非常有用的补充，例如，厚度测定。 So combined the two methods provide the type of analytical input you need to strengthen your conclusions, Prof. Höök says.
Höök教授继续说道，我已经提到了病毒颗粒和细胞外囊泡。细胞外囊泡与病毒没有太大区别，但它们传递遗传信息。至少它们被认为在细胞间传递遗传信息的方式与病毒感染的方式没有太大区别，但不是为了引起疾病，而是功能性载体。但它们也非常不同。SPR和QCM的一个缺点是它们都是集成平均方法。因此，人们逐渐认识到单纳米颗粒分辨率技术的重要性。我们正在使用基于表面的显微镜，或者全内反射显微镜，或者基于光散射的显微镜，基于波导的散射显微镜。还有一种非常有趣的技术，我们在实验室里还没有，这就是干涉散射显微镜，iSCAT。它有很高的灵敏度，可以让你观察单个的纳米颗粒。这是我们使用的第三种技术，人们有时也可以推断结构变化，并将其与我们在SPR和QCM中看到的联系起来。 So, I would say those are our key workhorses, Prof. Höök says.
请听完整的采访Fredrik教授Höök了解他在生物纳米颗粒、病毒感染和疫苗开发方面的研究和工作。
