傳訊 RNA （messenger RNA）近年來最廣為人知的用途是化身為疫苗對抗 COVID-19 疫情。除了 COVID-19 疫苗之外，傳訊 RNA 也被看好能夠被用於未來的精準治療中。然而發展傳訊 RNA 藥物所遇到最大的困難之一是如何確保傳訊 RNA 藥物能順利進入目標細胞中，進而轉譯出蛋白質發揮療效。目前最為常見的傳訊 RNA 載體為脂肪奈米顆粒，這是由四種不同的成分（ionizable cationic lipids, amphipathic phospholipids, cholesterol, polyethylene glycol lipids）所構成的特殊載體，能容納傳訊 RNA 於其中 [1]。本篇論文的研究團隊試圖利用增加第五個成分於現有的脂肪奈米顆粒上，進而調控這些傳訊 RNA 載體在體內的分布情況，使他們從原先僅能被肝臟大量吸收的型態，變成能夠導向體內不同的器官，如脾臟或是肺臟。
Selective organ targeting 簡稱 SORT，是本篇論文的研究團隊為新增了第五個成分的奈米粒子所給予的統稱，他們將不同類型的 SORT 脂肪奈米顆粒注射到實驗鼠中，發現 SORT 脂肪奈米顆粒中的傳訊 RNA 以及其轉譯出來的螢光蛋白會累積在不同的器官中 [2, 3]（圖一 A、B）。研究團隊提出兩個可能的關鍵機轉使得 SORT 能夠幫助脂肪奈米顆粒擁有這樣的組織特異性，首先是添加不同類型的 SORT 能夠改變脂粒的酸解離常數（pKa值）。典型脂肪奈米顆粒的酸解離常數介於 6 和 7 間，而幫助導向肺臟的 SORT 脂肪奈米顆粒的酸解離常數大多數均大於 9，幫助導向脾臟的 SORT 脂肪奈米顆粒的酸解離常數則介於 2 和 6 之間。
圖一、（A）藉由在典型的脂肪奈米顆粒上添加第五個成分，使得脂肪奈米顆粒可以分布到除了肝臟以外的器官，如脾臟或是肺臟；（B）傳訊 RNA 於活體外的螢光顯像圖。 來源：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2109256118
第二個幫助 SORT 肪奈米顆粒擁有組織分布特異性的關鍵機轉是脂肪奈米顆粒的吸附能力。當一顆脂肪奈米顆粒進入生物體內後，顆粒中的成分 “polyethylene glycol lipids” 會吸附血液中的蛋白質，藉由這些吸附上的蛋白質以受體受器辨識的方式使細胞進行胞吞反應，讓脂肪奈米顆粒能夠順利進入細胞中釋放出傳訊 RNA [4]。目前最為常見會吸附在脂肪奈米顆粒上的蛋白質是脂蛋白 E（apolipoprotein E, ApoE），脂蛋白 E 會跟肝臟上的低密度脂蛋白受器（low-density lipoprotein receptor, LDL-R）結合，進而被肝細胞所吸收。本篇論文的研究團隊假設因為 SORT 上具有各不相同的化學結構與電荷，因此能吸引血液中不同種類的蛋白質與脂肪奈米顆粒結合；他們先用電泳分離出結合在 SORT 脂肪奈米顆粒上的蛋白質，結果顯示幫助導向肝臟、肺臟以及脾臟的 SORT 脂肪奈米顆粒上所吸附的蛋白質分子量各不相同。著研究隊用譜去分析這些蛋白質的成分，發現幫助導向肝臟的 SORT 脂肪奈米顆粒與典型的脂肪奈米顆粒會吸引脂蛋白 E 吸附，幫助導向脾臟的 SORT 脂肪奈米顆粒傾向吸附 β2 醣蛋白 I，幫助導向肺臟的 SORT 脂肪奈米顆粒則會吸附玻連蛋白（vitronectin）。但是吸附不一樣的蛋白質就會造成組織分布特異性嗎？為了釐清這之間的因果關係，研究團隊將上述三種不同類型的蛋白質分別包覆住傾向分布於肝臟、肺臟與脾臟的 SORT 脂肪奈米顆粒，再觀察這些脂肪奈米顆粒注射到細胞株之後的反應。與預期的結果相符，有受到蛋白質包覆的 SORT 脂肪奈米顆粒能更有效率地將傳訊 RNA 釋放到不同器官的細胞中，讓細胞轉譯出螢光蛋白（圖二）。最後，本篇研究將三種不同的 SORT 脂肪奈米顆粒注入去除了脂蛋白 E 基因表現的實驗鼠中，發現跟對照組相比之下，實驗組的小鼠肝幾乎沒有 SORT 脂肪奈米顆粒的累積，但是實驗鼠的脾臟跟肺臟內 SORT 脂肪奈米顆粒的累積跟對照組相差不大，甚至有比對照組強烈的趨勢，代表脾臟跟肺臟是以獨立於脂蛋白 E 受體受器結合的機轉進入細胞當中。
圖二、在螢光顯像圖下發現用蛋白質進行包覆的 SORT 脂肪奈米顆粒比起沒有進行蛋白質包覆的 SORT 脂肪奈米顆粒，細胞株內的傳訊 RNA 或是螢光蛋白的表現量皆顯著較高。 來源：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2109256118
總結來說，本篇研究透實驗證實 SORT 改變肪奈顆粒酸解離常數並吸附血液中不同種類的蛋白質。這兩種機轉使得 SORT 脂肪奈米顆粒不再僅僅限於被肝細胞吸收，而是能夠導向更多元的組織與器官，為傳訊 RNA 所帶來的精準治療提供了新的可行性，也為想利用脂肪奈米顆粒作為載體的後續研究，奠定了堅實的基礎。
參考文獻：
[1] Cheng, X., & Lee, R. J. (2016). The role of helper lipids in lipid nanoparticles (LNPs) designed for oligonucleotide delivery. Adv Drug Deliv Rev, 99(Pt A), 129-137.
[2] Cheng, Q., Wei, T., Farbiak, L., Johnson, L. T., Dilliard, S. A., & Siegwart, D. J. (2020). Selective organ targeting (SORT) nanoparticles for tissue-specific mRNA delivery and CRISPR–Cas gene editing. Nature Nanotechnology, 15(4), 313-320.
[3] Dilliard, S. A., Cheng, Q., & Siegwart, D. J. (2021). On the mechanism of tissue-specific mRNA delivery by selective organ targeting nanoparticles. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 118(52), e2109256118. https://doi.org/10.1073/pnas.2109256118.
[4] Chen, D., Ganesh, S., Wang, W., & Amiji, M. (2020). Protein Corona-Enabled Systemic Delivery and Targeting of Nanoparticles. Aaps j, 22(4), 83.
撰文 | 江明修
審稿 | 張芷榕
