The therapeutic potential of nanotechnology beyond COVID-19

Written by:

November 18, 2022

信使 (m)RNA 疫苗已投入生产多年，但由于全球疫情加速了该领域的研究和创新，才使得人们终于认识到了它的广阔前景。但如果没有另一关键技术，即保护 mRNA 并将其递送至细胞的脂质纳米颗粒 (LNP)，mRNA 疫苗便不会取得成功。本文将讨论脂质纳米颗粒研究布局和纳米技术除 COVID-19 之外的未来机遇。

查看我们的纳米技术及其药物递送应用洞察报告，进一步了解从脂质体到脂质纳米颗粒的旅程、在实现 RNA 革命中所发挥的作用，以及未来在化妆品、农业等领域的机遇。

纳米技术和 mRNA 疫苗 — 是成功案例吗？

虽然在抗击 SARS-CoV-2 中已经应用了数种疫苗，但 Moderna 和 Pfizer–BioNTech 生产的两款基于脂质纳米颗粒的 mRNA 疫苗应用最为广泛，展现出纳米技术在应对 COVID-19 疫情中发挥的关键作用。 2021 年，此类疫苗大规模推广，改变了疫情的进程，导致 COVID-19 病例数量显著下降。

但由于病毒的迅速蔓延，已经出现或预计会出现 SARS-CoV-2 的数种新变异株，给公共卫生带来巨大威胁。重点关注的变异株（如 Delta 和 Omicron）可通过弱化中和抗体的功能来影响疫苗效力。但纳米技术可能是解决 SARS-CoV-2 变异株挑战的关键。科学家们正在探索使用纳米技术达到该目的的多种途径，包括纳米颗粒、疫苗诱导中和抗体、基因工程中和抗体以及“纳米诱饵”。纳米诱饵法涉及制造诱饵纳米蛋白，该蛋白可与细胞表面表达的血管紧张素转换酶 2 (ACE2) 受体进行相互作用，抑制病毒与 ACE2 结合，保护宿主细胞不受感染。随着纳米技术在加速新型冠状病毒疫情结束方面的运用，我们如何才能将大量的研究工作经验应用到其他未满足需求的领域，包括其他全球传染病？

脂质纳米颗粒技术的发展

在展望未来之前，让我们先回顾一下脂质纳米颗粒技术的历史。一切都始于 1965 年脂质体的发现：这是一种可在水中自发形成脂肪囊的封闭脂质双层囊泡。由于能够包裹小分子药物并提高水溶性（众所周知，有超过 40% 的药物在水中的溶解度很低），研究人员随即看到了它们在药物递送方面的前景。自最初发现脂质体以来，该技术一直在不断进行调整和完善，优化脂质纳米颗粒的功能，以创建用途极其广泛的药物递送平台和脂质体药物。

尽管目前作为治疗 COVID-19 的 mRNA 疫苗的重要组成部分而备受关注，但脂质纳米颗粒作为药物成功应用已有数十年。 1995 年，Doxil 成为第一个获批的脂质体药物，该药物是一种抗肿瘤多柔比星 LNP 制剂。另一款脂质体药物是 Epaxal，该药物为蛋白抗原 LNP 制剂，并作为肝炎疫苗使用。继该进展之后，2018 年美国食品药品监督管理局批准了一款名为 Onpattro (patisiran) 的短干扰 RNA LNP 制剂，用于治疗由遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性引起的多发性神经病。这一关键里程碑为众多经纳米颗粒递送激活的核酸治疗铺平了道路（更多详细内容请参见图 1 脂质纳米颗粒重要进展时间轴和我们的洞察报告）。

COVID 疫情后的纳米技术

近期在 CAS 内容合集™ 中的一项研究探索了脂质纳米颗粒相关研究的独特布局。分析显示，CAS 内容合集™ 中与 LNP 相关的科学出版物超过 240,000 篇，其中 190,000 余篇来自于 2000 年至 2021 年，凸显出人们对纳米技术的兴趣与日俱增。据预测，鉴于 COVID-19 期间纳米技术在治疗传染病方面的应用，该趋势将得到进一步增强。到 2027 年，纳米医学市场预计将达到 1640 亿美元以上。

虽然脂质纳米颗粒长期以来在药物递送系统方面占据公认地位，但该技术并非没有局限性。脂质体被认为是首代 LNP，需使用采用有机溶剂的复杂生产方法，在包裹药物方面效率较低，且难以大规模生产。虽然关键纳米技术进步（如固体脂质纳米颗粒和纳米结构脂质载体的发展）有助于解决这些问题（请参阅表 1），但挑战仍然存在。必须对纳米系统的制造成本、可扩展性、安全性和复杂性进行评估，并与任何潜在利益进行权衡。为了帮助克服该技术当前存在的局限性，研究人员正在寻找下一代脂质纳米颗粒，探索能力更强、更精密的递送系统。

表 1：脂质纳米颗粒的类型：结构和作用

纳米技术在治疗 COVID-19 的 mRNA 疫苗中的成功应用重新点燃了利用该技术治疗传染病（例如疟疾、肺结核 (TB) 和人类免疫缺陷病毒 (HIV) 等）的兴趣。纳米技术具有改变此类疾病检测和治疗的潜力。该技术的广泛性意味着包裹在脂质体、聚合物纳米颗粒和纳米药物晶体中的治疗可以局部或系统的方式进行持续或立即释放。存在无限可能。

然而，虽然一些传染病（如 HIV）已经成为研究的焦点，但对于疟疾和 TB 等其他疾病的研究热情则较少。资金（或缺乏资金）历来是限制纳米技术在这些未满足需求领域取得进展的因素之一。但这一现象可能将有所改变。约翰霍普金斯大学的一个团队正在研发一款在基因药物递送中加速设计脂质纳米颗粒的平台，让研究人员可以负担得起该流程所产生的费用。该团队正在利用这一技术研发可在肝脏生命周期内攻击致病寄生虫的疟疾疫苗。