行研 | 守得云开见月明——LNP载体行业发展追踪(上)

前言

LNP技术应用于递送mRNA开发传染病疫苗、肿瘤疫苗以及表达治疗性蛋白药物以治疗各种疾病。mRNA新冠疫苗引发mRNA-LNP领域研究和投资热潮。基于现有组分开发的LNP在剂量扩大、靶向性、重复长期给药安全性等方面仍有提升空间,也是国内外各大相关企业研发重点。

投资角度值得关注的方向:1)面对LNP领域药物研发热潮,具备多年相关研究经验及工艺生产技术积累的CDMO行业;2)肝外靶向LNP系统及新适应症开发;3)mRNA之外治疗药物的特定优化递送。


一、LNP技术发展历史

随着对核酸药物和细胞发病机理的遗传学研究进展的深入,涉及众多人类疾病在基因水平的靶向治疗成为可能。核酸药物在医学上有各种各样的作用,包括基因治疗剂和RNA疗法。历经半个世纪的发展,LNP递送系统伴随核酸技术终于迎来重大突破。

1965年,作为LNP的早期版本,脂质体开始发展。脂质体是一种通用的纳米载体平台,因为它们可以运输疏水或亲水分子,包括小分子、蛋白质和核酸。脂质体是最早成功从概念到临床应用的纳米药物传递平台。许多脂质体制剂已获批准并成功应用于医疗实践。随后的脂质纳米载体,如固体脂质纳米颗粒、纳米结构脂质载体和阳离子脂质-核酸复合物,表现出更复杂的结构和增强的物理稳定性。LNP具有封装和传递治疗药物到体内特定位置的能力,并在需要的时间释放其内容物,为各种疾病的治疗提供了一个宝贵的载体系统。

1976年,开始探索包被在聚合粒子中来传递核酸。随后,外源mRNA通过脂质体传递到宿主细胞。1995年,由LNP递送的小分子药物daunorubicin获得FDA批准上市。进入21世纪,LNPs-RNA进入研究视野,2018年首款LNP-siRNA药物Patisiran获FDA批准上市,2021年应对新冠病毒的两款LNP-mRNA疫苗获批上市。

图表1 LNP技术发展历史

资料来源:PubMed,Clinicaltrials,点石资本

二、LNP体内递送mRNA的首选载体

2019年至今全球经历了2年多的新型冠状病毒病(COVID-19)疫情,辉瑞mRNA新冠疫苗已经被大众所熟知,mRNA疫苗用于临床治疗新冠成为mRNA药物的重要里程碑。

核酸药物由于其高效、加速的开发周期和低成本生产的潜力,为疫苗等药物开发带来了革命性的变化。mRNA作为一种新型疾病治疗药物,在预防和治疗各种疾病方面已崭露头角。mRNA药物的迅速发展,很大比例功劳来自LNP(liposome nanoparticle,脂质纳米颗粒)技术的进步。为了在体内发挥作用,mRNA需要安全、有效和稳定的递送系统,保护核酸免于降解,并允许细胞摄取和mRNA胞内释放。随着LNP技术成功进入临床用于mRNA的传递,未来将有更多此类药物获批用于未满足临床需求的疾病治疗。

核酸疗法的发展因其细胞传递的困难而受阻。一方面核酸的负电荷和亲水性阻碍了它们通过细胞膜的被动扩散。另一方面,核酸与血清蛋白的关联,它们被吞噬细胞摄取,以及它们被内源性核酸酶降解,干扰了它们的有效传递。因此,核酸需要传递载体来保护它们不被降解,并将它们传递到目标细胞以进行有效摄取。病毒和非病毒载体被用来将核酸传递到细胞。

阳离子型LNPs是合成的阳离子脂类与阴离子核酸之间的稳定复合物,是目前应用最广泛的核酸药物非病毒传递系统。对于病毒载体,人群多数有天然免疫中和抗体,重复给药使用限制,另外体内使用的AAV病毒载体递送片段大小受限;GalNAc不适用单链核酸递送;外泌体在免疫原性和工程化改造方面有天然优势,但目前工艺技术不及LNP成熟。

图表2 四种递送系统特点比较

资料来源:Pubmed,点石资本

三、LNP组分构成

目前的成熟LNP系统由胆固醇、磷脂、聚乙二醇脂质、阳离子脂质四组分构成。脂质是两亲性分子,包含三个结构域:极性头基团,疏水尾区和两个结构域之间的连接。阳离子脂质是LNP能够递送RNA的核心组分,有一个带永久正电荷的头基团,其作用兼具充分包裹带有负电荷的mRNA分子和促进细胞吸收两重作用。

图表3 LNP-mRNA结构示意图

资料来源:APL Bioeng,点石资本

此外,LNP四大组分比例相对固定。已获批上市的BNT162b2和mRNA-1273疫苗LNP均由四种脂质成本构成,且组分差异不大。对于核心成分阳离子脂质,辉瑞/BioNTech 采用的是 ALC-0315 可电离阳离子脂质, Moderna 采用的是 SM-102 可电离阳离子脂质,二者的化学相似性很强,同时辅助脂质的含量也大体相同。

图表4 BNT162b2和mRNA-1273疫苗LNP组分构成

资料来源:International Journal of Pharmaceutics,点石资本

 

图表5 BNT162b2和mRNA-1273疫苗阳离子脂质结构

资料来源:ACS Nano,点石资本

四、LNP递送系统开发难点

4.1 难点1——专利壁垒

LNP专利保护主要的3个方面:

① 阳离子脂质体的化学结构

BioNTech 和 Moderna分别采用的是 ALC-0315、SM-102 可电离阳离子脂质

② 阳离子脂质体与其他组分之间的构成比例

BioNTech 和 Moderna 目前拥有由宾夕法尼亚大学研发的被认为是业内最重要的 mRNA 独家技术疗法专利,即专利号8058069对应专利

③ LNP的用途提供保护

我们从Moderna 对 Arbutus 三项专利诉讼的结果看,LNP核心专利对脂质组分的保护较难突破专利挑战。各厂商对 LNP技术的掌握以及是否拥有相关专利成为了业内竞争中极其重要的一环

图表6 Moderna 对 Arbutus 三项专利 IPR 结果

资料来源:unifiedpatents.com,点石资本

对于mRNA药物而言,拥有自主知识产权的LNP专利可以说是药物研发的基石。我们检索发现,国内新兴mRNA企业已经纷纷在专利方面布局,目前这些企业的创始人过往背景或多或少与LNP有关。团队相关经验、核心专利、技术积累是能快速将LNP技术向产业转化的关键因素。

图表8 国内企业LNP相关专利

资料来源:unifiedpatents.com,点石资本

4.2 难点2——安全可控且具有自主知识产权脂质设计

由于成分复杂性、结构要求、体内递送效率和安全性等综合考虑,LNP需要考虑多方面因素的平衡及相互影响。

图表9 安全有效的LNP组分需要考虑多方面因素的平衡及相互影响

资料来源:点石资本

具体来看,在选择LNP配方的脂质成分时,值得考虑以下几个方面:

1)  生物相容性。自然产生的脂类是可取的,因为它们可能是代谢的目标物种。在LNP配方中使用最广泛的一类脂类是磷脂,这也是生物膜脂类的主要类别。

2)  流动性。众所周知,胆固醇是一种有效的脂质双分子流动性调节剂;它能提高固体双层膜的流动性,降低液体双层膜的流动性。它也是生物膜的主要成分之一,具有高度的生物相容性。

3)  相态和相变温度。相态是LNPs的一个重要特性,它有助于LNPs的稳定性和封装效率,并控制其与生物膜的相互作用和货物释放。LNP中各脂类的相变温度以及它们的混溶性应予以考虑。一般来说,烷基链越长、饱和程度越高的脂质,其转变温度越高。

4)  电荷(zeta电位)。LNPs的电荷影响其稳定性、货物释放速率、循环在血液中的半衰期以及与生物膜的融合。自然形成的膜脂是两性离子(PCs, PEs)或负电荷(pg, ps)。在许多用途中,如核酸递送,正电荷脂质的存在是有益的,导致了合成阳离子脂质的开发和使用。由于阳离子脂类不是细胞的天然成分,因此应考虑其生物相容性及其降解产物的毒性。毒性与包括阳离子脂类在内的配方特别相关,阳离子脂类是合成的,其毒性可能不为人知或在生物系统中观察到。在许多情况下,LNP配方中阳离子脂类的有效性与毒性增加有关。例如,在LNP配方中,多价阳离子脂类比单价阳离子脂类更有效,但对细胞的毒性也更大。与天然脂类结构相似的阳离子脂类被认为在LNPs中有效,如阳离子乙基磷脂酰胆碱或阳离子胆固醇的鉴定可以产生副作用较少的LNPs。

5)  尺寸是决定LNP循环半衰期和药物封装的关键参数。LNP的大小很大程度上取决于它们的准备方式。超声、挤压和微流体方法是控制LNP尺寸最常用的方法。

6)  循环时间和吞噬吸收。用一种惰性聚合物(如聚乙二醇)包裹LNPs,通过阻止吞噬细胞到达LNPs表面,大大延长了它们在血液循环中的逗留时间,通过空间位阻抑制其吸收LNPs的能力。

7)  释放货物。有效的LNPs依赖于稳定和货物释放之间的微妙平衡。LNPs需要足够稳定,以安全地将货物运送到目标地点,同时也要有能力将货物分散到所需地点。在许多情况下,可以使用外部刺激来促进药物的释放。例如,当理想位置的pH值与其他位置的pH值不同时,可电离脂类可以促进药物在理想位置的释放。含有阳离子脂质的LNPs的货物释放也可以通过与生物膜的脂质交换来触发,诱导非层状相的形成。

8)  封装效率和稳定性。用固体脂质纳米颗粒(SLN)或特别是纳米结构脂质载体(NLC)替代传统脂质体制剂可以显著提高脂质纳米载体的稳定性和包封效率。

阳离子脂质作为LNP的核心成分,通过合成的大量阳离子类脂两亲体被测试作为核酸载体。阳离子脂类的分子结构与天然脂类相似,只是存在一个可电离的(阳离子)头基团,而不是天然脂类的两性或阴离子头基团。它们包括具有两个烷基链的疏水部分或胆固醇部分、带正电荷的极性头基团和连接极性基团与疏水部分的连接物。由于pH值的变化,只能在细胞内带正电荷而在血液中不带电荷的可电离脂类是首选,因为它们比非可电离的阳离子脂类毒性更小。

图表10 阳离子脂质的典型结构和部分结构组合

资料来源:Chem. Rev.,点石资本

4.3 难点3——规模化生产工艺流程

各种各样的技术被用来控制LNPs 的性质,包括它们的大小,同心双层的数量(层状),以及它们封装各种化合物的能力。膜水合法是制备脂质体最简单、最古老的方法。脂质首先溶解在有机溶剂中,然后干燥,在小瓶底部形成一层薄膜。脂质膜水合后产生脂质体分散体。水化条件影响所形成囊泡的结构巨大的单层囊泡(GUV) 是由温和的水化作用形成的,而多层囊泡(MLV) 则是在剧烈搅拌下形成的,其大小均匀性较差。探针或浴声可用于产生小的单片囊泡 (SUV)。通过定义孔径的聚碳酸酯过滤器连续挤压也可用于控制脂质体直径;挤压循环的次数对于决定所形成脂质体的均匀性是很重要的。另一种传统的脂质体制备技术是反相蒸发,包括在水相和含有脂质的有机相之间形成一种油包水的乳液。对混合物进行均质化,可使其短暂地保持均匀;在减压条件下去除有机相,得到凝胶,然后是脂质体悬浮液。

脂质体形成的溶剂注射技术是将脂质溶液(乙醇或乙醚)快速注射到水介质中。洗涤剂去除脂质体制备技术涉及磷脂在含有洗涤剂的临界胶束浓度(CMC)的水溶液中溶解,然后通过透析或其他方法去除洗涤剂。将所得到的悬浮液用水或水溶液稀释后,就会形成胶束;随着时间的推移,胶束转化为脂质体在脂质体制备的加热方法中,在水化剂(如甘油或丙二醇)的存在下,将脂类水化,然后加热到磷脂的转变温度以上。这种方法很有吸引力,因为它不涉及有机溶剂。

最近一项成功也是被较多应用的脂质体生产技术是微流体力学聚焦技术,在该技术中,酒精溶液中的脂质流被强迫在装置的中心通道中流动,并被水相的同轴流交叉和包裹。醇和水通过聚焦的醇/界面的相互扩散导致脂质沉淀并自组装成脂质体。规模化生产应用到的微流体设备,拥有多个小反应器平行运行,具有极高技术壁垒。

图表11 Knauer公司微流控设备示意图

资料来源:Knauer官网,点石资本


结语

核酸疗法是一类具有治疗疾病潜力的新兴药物,LNPs已经成为这类药物成功而高效的载体。

LNPs作为COVID-19 mRNA疫苗的传递载体的成功使用,拓宽了mRNA疫苗的研究视野。以Inclisiran为例的siRNA-GalNAc药物已经不仅仅针对罕见病,而是常见的慢性疾病,未来随着我们对疾病病理认知的增加,LNP递送系统的技术发展,以mRNA为范式的治疗手段也会从疫苗扩展到肿瘤、缺失蛋白补充、慢性疾病调控等适应症领域。

肿瘤学和其他基因疗法依赖于有效将核酸输送到细胞的能力。LNPs比其他传递系统优势体现在它更容易生产,免疫原性更低,可以携带更大的有效载荷,并且可以设计成多剂量。另一方面,LNP在长期使用安全性、免疫刺激、递送量、作用时间设计等方面仍有较大研发提升空间。

对于企业而言,具有自主知识产权脂质设计、有效且安全的LNP理性设计、生产工艺的建立都是伴随研发及商业化的重点和难点。

下篇我们将重点介绍LNP领域开发和投资的几个新方向。


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