Original-Artikel von Cayman Chemical
Lipid-Nanopartikel (LNP) sind im Begriff, die moderne Medizin zu revolutionieren. Die Technologie hat immense Möglichkeiten, sich über Infektionskrankheiten hinaus weiterzuentwickeln, und Targets zu erreichen, die früher als unerreichbar galten, um so eine nahezu unendliche Zahl von Krankheiten zu behandeln. Aber das Feld steckt noch in den Kinderschuhen und es gibt noch eine Reihe von Herausforderungen zu bewältigen, um das volle Potenzial der LNP zu erschließen.
Diese Themen warten auf Sie:
1) Die Nützlichkeit von LNP
2) Die Grenzen von LNP
3) Fortschritte bei der Sicherheit und Wirksamkeit von LNP
4) Zielselektivität mit LNP-Oberflächenmodifikationen
5) Überlegungen für zukünftige Lipide
6) Cayman hilft, Forschung möglich zu machen
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Die Nützlichkeit von LNP
Wissenschaftler haben das Potenzial von Therapien auf der Grundlage von Nukleinsäuren in vereinfachten Zellmodellen und Kulturflaschen über viele Jahre hinweg gezeigt. Die reale Anwendung dieser Proof-of-Concept-Experimente war jedoch aufgrund der zusätzlichen Komplexität, die mit der Verabreichung dieser Therapien in einem lebenden Organismus mit seinen biologischen Besonderheiten einhergeht, eine viel größere Herausforderung. LNP ermöglichten die Verabreichung dieser Therapien auf eine Weise, die sie vor dem Abbau im Körper schützt und sie an die Zielorte bringt.
LNP haben die Möglichkeiten für arzneimittelwirksame Ziele erheblich erweitert. Mit LNP ist es nun möglich, über traditionelle kleine Moleküle hinaus zu Therapien auf Nukleinsäurebasis überzugehen. Mit dem richtigen Design sollte es möglich sein, LNP so zu entwickeln, dass sie sich für eine Vielzahl von Anwendungen wie Impfungen, Proteinersatztherapien und therapeutische Genknockdowns eignen.
Die Grenzen von LNP
Die mRNA-basierten COVID-19-Impfstoffe waren in gewisser Weise eine vereinfachte Anwendung von LNP. Diese Impfstoffe wurden nur selten durch eine intramuskuläre Injektion verabreicht, wobei Auffrischungsimpfungen erfolgten, sobald der ursprüngliche Schutz nachließ. Während die Kurzlebigkeit der Wirkstoffe dazu beigetragen hat, die mRNA-basierten COVID-19-Impfstoffe durch eine starke Stimulierung der Immunreaktion zu ermöglichen, ist die Kurzlebigkeit herkömmlicher mRNA-LNP eine Einschränkung, wenn eine lange Haltbarkeit des Produkts erforderlich ist.
Um einen wirksamen Proteinersatz zu erreichen, sind alternative Methoden erforderlich. Eine häufige Verabreichung von LNP könnte theoretisch zu Immunreaktionen und zur Inaktivierung der Partikel führen. Selbst-amplifizierende RNA (saRNA) könnte dazu beitragen, die Zeit zwischen den Verabreichungen zu verlängern [2]. saRNA erhöht nicht nur die Dauer der Proteinexpression, sondern bietet auch die Möglichkeit, niedrigere RNA-Dosen zu verwenden, was die unerwünschten Wirkungen verringert. Die Verabreichung von Gen-Editierwerkzeugen wie CRISPR/Cas9 und zugehörigen guide-RNAs durch LNP gewährleistet die Dauerhaftigkeit der therapeutischen Veränderung, wirft aber auch ethische Fragen auf. Um diese Bedenken auszuräumen, arbeiten Forschende aktiv an der Veränderung der Lipidzusammensetzung von LNP sowie an der Zugabe spezifischer Targeting-Liganden, doch es bleibt noch viel zu tun [1, 3, 4].
Fortschritte bei der Sicherheit und Wirksamkeit von LNP
Wie bei herkömmlichen Arzneimitteln müssen auch LNP so formuliert werden, dass der Nutzen die Risiken überwiegt. Um ihren Wirkort zu erreichen, müssen LNP stabil sein, sowohl während der Lagerung als auch während des Transports durch den Körper, und sie dürfen nicht vom Immunsystem erkannt werden. Das heißt, sie müssen eine ausreichend lange in vivo-Halbwertszeit haben und gleichzeitig so formuliert sein, dass sie schnell und vollständig eliminiert werden, ohne dass nach der Abgabe der Nukleinsäuren toxische Metaboliten entstehen.
LNP werden aus Lipidmischungen aus ionisierbaren kationischen Lipiden, Helferlipiden, Sterolipiden und PEGylierten Lipiden gebildet. Ionisierbare kationische Lipide sind die Hauptfaktoren für die Verkapselung der Nukleinsäure-Nutzlast und die Wirksamkeit der LNP, aber sie sind auch mit der Verträglichkeit, Immunogenität und Zelltoxizität der LNP verknüpft [5].
Das Hinzufügen mehrerer umweltverträglicher Eigenschaften in ionisierbaren kationischen Lipiden hat die Biokompatibilität und die biologische Abbaubarkeit dieser Lipide erheblich verbessert [6-8]. Ionisierbare kationische Lipide enthalten eine vorübergehende positive Ladung, die bei niedrigem pH-Wert entsteht. Dies kann nicht nur genutzt werden, um Nukleinsäuren einzukapseln, sondern auch, um sie in die Zellen zu transportieren und den endosomalen Austritt mit minimaler Toxizität zu fördern. Ester- oder Amid-Linkergruppen können von endogenen Enzymen gespalten werden, was den Abbau dieser Lipide bei der zellulären Aufnahme fördert, und der Einbau von bioreduzierbaren Disulfidbindungen kann die Freisetzung der Nukleinsäurefracht im Zytosol unterstützen [7, 8].
Einige ionisierbare kationische Lipide sind jedoch immunstimulierend und können selbst eine Immunaktivierung auslösen [1].Während dies als Adjuvans wirken kann und für bestimmte therapeutische Modalitäten wie Impfstoffe von Vorteil ist, gibt es andere Indikationen, bei denen dies nicht so wünschenswert ist. Die durch die wiederholte Verabreichung von LNP stimulierte Immunreaktion kann die Proteintranslation im Laufe der Zeit unterdrücken, was ein erhebliches Hindernis darstellt, das überwunden werden muss, um LNP in größerem Umfang für Proteinersatztherapien einzusetzen.
Bedenken hinsichtlich der Immunogenität entstehen auch durch die Verwendung von PEGylierten Lipiden [1, 9].PEGylierte Lipide tragen dazu bei, die LNP vor einer raschen Eliminierung in der systemischen Blutzirkulation zu schützen, indem sie die Opsonisierung und Clearance durch das Immunsystem verhindern. Sie verbessern die Halbwertszeit der LNP und tragen dazu bei, dass sie sicher zur Zielzelle gelangen. PEGylierte Lipide geben jedoch Anlass zu Besorgnis über Entzündungsreaktionen und die Behinderung der Partikelaufnahme, ein Phänomen, das als "PEG-Dilemma" bekannt ist [9].PEGylierte Lipide können immunogen sein, was zu PEG-haltigen Überempfindlichkeiten und der Produktion von Anti-PEG-IgM und -IgG führt. Dies wirkt dem Zweck der PEGylierten Lipide entgegen und beschleunigt die Clearance von LNP im Blut [1].PEGylierte Lipide sind außerdem große, sperrige Moleküle, die zwar die Aufnahme der Partikel durch das Immunsystem verhindern sollen, aber auch die Aufnahme der Partikel während der Verabreichung hemmen können, wodurch die Ankunft der therapeutischen Substanz in den Zielzellen eingeschränkt wird [10].
Forscher haben neue Technologien mit geringerer Immunogenität und vergleichbaren Tarnwirkungen in LNP-Formulierungen erforscht. Polysarcosin (pSAR) ist ein synthetisches Polymer auf der Grundlage einer endogenen Aminosäure mit vielversprechendem Potenzial, PEGylierte Lipide in LNP zu ersetzen [11]. LNP, die unter Verwendung von pSAR als Ersatz für PEGylierte Lipide formuliert werden, haben nachweislich eine hohe Transfektionseffizienz bei gleichzeitig geringerer Immunogenität. Daher könnten pSAR-funktionalisierte LNP die Möglichkeit bieten, die Wirksamkeit von LNP zu erhöhen, ohne dass die Nebenwirkungen entsprechend zunehmen.
Zielselektivität mit LNP-Oberflächenmodifikationen
Die Entwicklung von LNP, die selektiv auf gewebe-, zell- und sogar subzellulärspezifische Bereiche abzielen, steht im Fokus vieler F&E-Bemühungen. Zielgerichtete Therapien werden nicht nur den Nutzen von LNP-Anwendungen erweitern, sondern auch - ähnlich wie bei herkömmlichen niedermolekularen Therapien - dazu beitragen, unerwünschte Nebenwirkungen zu reduzieren.
Einige Wirkorte sind relativ leicht zu erreichen, indem man sich die passive Verabreichung zunutze macht, die durch die biologischen Grundprinzipien ermöglicht wird, während andere schwieriger zu erreichen sind und durchdachte, aktive Wirkmechanismen erfordern. Die Architektur bestimmter Organe begünstigt die Anreicherung von LNP. Aufgrund ihrer geringen Größe passieren LNP leicht Organe mit fenestriertem Epithel und/oder Organe, die einen hohen Anteil der Herzleistung erhalten, wie z. B. Leber, Milz und Lunge [12-14].Einige Forscher haben Möglichkeiten gefunden, die Lipidzusammensetzung der LNP zu verändern, um die LNP in diese Organe zu lenken. Anpassung der Netto-Oberflächenladung der LNP, um Gewebetropismus zu erreichen (LNP mit positiver, neutraler und negativer Oberflächenladung können auf Lunge, Leber bzw. Milz ausgerichtet werden). Die Verwendung eines selektiven Organ-Targeting-Ansatzes (SORT), der ein fünftes Lipid, ein Lipid-SORT-Molekül, in die herkömmliche Vier-Komponenten-LNP-Mischung einbezieht, kann die LNP-Verabreichung weiter optimieren [15, 16].Es gibt jedoch viele Krankheiten, die an Orten außerhalb von Leber, Milz und Lunge auftreten. Um LNP in den Fokus der Medizin zu rücken, sind Strategien erforderlich, mit denen LNP an jeden beliebigen Ort gebracht werden können.
Lesen Sie mehr über die Vor- und Nachteile der Arzneimittelverabreichung auf Lipidbasis.
Erkrankungen, die das Gehirn betreffen, sind aufgrund der Blut-Hirn-Schranke schwer zu behandeln. Trotz ihrer geringen Größe können LNP die Blut-Hirn-Schranke nicht passiv überwinden. Anstatt gegen die Biologie anzukämpfen, haben einige Forscher raffinierte Wege gefunden, sie zu nutzen. Mit dem Wissen, dass Neurotransmitter körpereigene Moleküle sind, von denen einige die Blut-Hirn-Schranke überwinden können, synthetisierte das Labor von Qiaobing Xu neuartige Lipide auf der Basis von Tryptamin, einer funktionellen Gruppe, die viele Neurotransmitter gemeinsam haben [17]. Diese von Neurotransmittern abgeleiteten Lipidoide (als NT-Lipidoide bezeichnet) könnten die Blut-Hirn-Schranke für ansonsten hirnundurchlässige LNP-Formulierungen durchlässig machen.
Auch eine Antikörper-vermittelte Verabreichung könnte genutzt werden, um eine zellspezifische Wirkung zu erzielen. Die Dekoration der Oberfläche von LNP mit Antikörpern, die auf bestimmte Rezeptoren abzielen, ist eine interessante Strategie, um LNP auf Zielzellen zu lenken. Die chemische Konjugation zwischen Proteinen und Lipiden ist jedoch schwierig, und die Verankerung von Antikörpern auf LNP-Oberflächen in einer Weise, die die funktionelle Ausrichtung der Antikörper beibehält, stellt eine Herausforderung dar [18].Mit einer Targeting-Plattform, die eine verankerte sekundäre scFv-Targeting-Komponente (ASSET) nutzt, können diese Probleme umgangen werden. Die lipidierten, einkettigen variablen Fragmente (scFvs) lassen sich leicht in LNP einbauen. Sie erkennen und binden an die Fc-Region von Antikörpern und stellen sicher, dass die Fab-Arme des Antikörpers für die Ligandenbindung zugänglich sind. Es gibt ein großes Repertoire an Antikörper-Antigen-Paaren, die mit diesem Ansatz erschlossen werden können, und er könnte sich als vielseitige Plattform für die gezielte zellspezifische Freisetzung erweisen.
Überlegungen für zukünftige Lipide
Eine der größten offenen Fragen bei LNP-Formulierungen ist, wie man die Wirksamkeit von LNP ohne übermäßige Immunogenität steigern kann. Die Identifizierung neuartiger Lipide ist Gegenstand zahlreicher F&E-Bemühungen. Inzwischen gibt es eine große Anzahl ionisierbarer kationischer Lipide, und ihre Zahl und Verfügbarkeit nimmt weiter zu. Modifikationen der polaren Kopfgruppe, der Linkergruppe und/oder der hydrophoben Schwänze ionisierbarer, kationischer Lipide werden die Verkapselungs- und Transfektionseffizienz von LNP weiter verbessern, ohne die Biokompatibilität oder biologische Abbaubarkeit zu beeinträchtigen.
Für Forschende könnte es von Vorteil sein, sich mit dem rationalen Design neuer Lipide zu befassen. Einige könnten sich von endogenen Verbindungen inspirieren lassen, ähnlich wie bei der Entwicklung von pSAR-funktionalisierten LNP und NT-Lipidoiden. Die Verwendung von LNP-Komponenten, die aus endogenen Bausteinen aufgebaut sind, könnte möglicherweise die Toxizität vermeiden, da sie leichter biologisch abbaubar sind oder in endogene Verbindungen mit verbesserter Hydrophilie und minimaler Toxizität umgewandelt werden. In der Tat haben einige Forscher begonnen, Exosomen, die "Lipid-Nanopartikel der Natur", als biomimetischeren Weg für die Verabreichung von Nukleinsäuretherapien zu erforschen [19]. Andere wiederum könnten versuchen, die Eigenschaften bestehender Verbindungen zur Entwicklung neuer Lipide zu nutzen. Ein solcher Ansatz wurde gewählt, um neue Lipide mit spezifischer Adjuvans-Aktivität zu entwickeln, indem die Struktur bekannter Agonisten von Toll-like-Rezeptoren (TLR) genutzt wurde. Die Aufnahme von Adjuvans-Lipidoiden in den herkömmlichen Vier-Komponenten-LNP verstärkte die zelluläre Immunantwort eines SARS-CoV-2-mRNA-Impfstoffs und wurde von Mäusen gut vertragen [20].
Wir stehen am Beginn einer neuen Ära, in der die LNP-Technologie so weit fortgeschritten ist, dass Therapien, die bisher nur als Theorie existierten, Wirklichkeit werden können. Um auf diesem Gebiet weiter voranzukommen, müssen wahrscheinlich mehrere Ansätze integriert werden, um die derzeitigen Grenzen von LNP zu überwinden, und es müssen gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen unternommen werden, um das umfangreiche Fachwissen verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen zu nutzen und LNP in den Vordergrund der modernen Medizin zu rücken.
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Lipid-Nanopartikel (LNP) sind im Begriff, die moderne Medizin zu revolutionieren. Diese Technologie hat immense Möglichkeiten, sich über Infektionskrankheiten hinaus weiterzuentwickeln, um Ziele zu erreichen, die früher als unbehandelbar galten, und eine nahezu unendliche Zahl von Krankheiten zu behandeln. Mit LNPs ist es nun möglich, über die traditionellen kleinen Moleküle hinaus zu nukleinsäurebasierten Therapien überzugehen. Mit dem richtigen Design sollte es möglich sein, LNPs so zu entwickeln, dass sie sich für eine Vielzahl von Impfungen, Proteinersatztherapien und die Ausschaltung therapeutischer Gene eignen. Aber das Feld steckt noch in den Kinderschuhen, und es gibt noch eine Reihe von Herausforderungen zu bewältigen, um das volle Potenzial von LNPs zu erschließen. Veröffentlicht im Oktober 2023.
Der Erfolg der mRNA-basierten COVID-19-Impfstoffe wäre ohne die jahrzehntelange Forschung im Bereich der lipidbasierten Wirkstoffabgabe (LBDD) nicht möglich gewesen. LBDD-Systeme sind äußerst vielseitig und wurden bereits für die Verabreichung verschiedener bioaktiver Moleküle an Zielzellen und -gewebe eingesetzt. Lipid-Nanopartikel (LNPs) sind ein bedeutender Fortschritt für die Verabreichung von Therapeutika auf Oligonukleotidbasis. In LNPs eingekapselte Oligonukleotide sind während des Verabreichungsprozesses vor enzymatischem Abbau geschützt und gelangen effizient in die Zellen, wo die therapeutische Fracht freigesetzt wird. In diesem Leitfaden erfahren Sie mehr über LBDD-Systeme, die von ihnen transportierten Wirkstoffe und die grundlegenden Konzepte und Verfahren für die Herstellung von LNPs. Veröffentlicht im Juni 2022.
Cayman hilft, Forschung möglich zu machen
Unser Partner Cayman Chemical liefert seit über 40 Jahren hochreine Lipide an die wissenschaftliche Community. Caymans branchenführendes Know-how in der Lipidchemie, -synthese und -reinigung wird durch modernste Analysegeräte unterstützt.
Das US-amerikanische Unternehmen ist bestrebt, ein beispielloses Portfolio an LNP-Forschungsinstrumenten anzubieten. Es verfügt über eine beeindruckende Sammlung gebrauchsfertiger Lipide für LNP und forschungsfertige LNP für das Screening verschiedener LNP-Zusammensetzungen sowie hausinterne Lipidsynthese-, Screening- und LNP-Formulierungsservices.
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Quellen
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