脂質納米顆粒（LNPs）在保護mRNA并促進其進入靶細胞進行蛋白質合成方面表現出色。然而，細胞攝取LNPs后，mRNA的翻譯效率不僅取決于LNPs的遞送效率，還受到細胞內必需代謝物（如代謝能量源、輔酶和氨基酸）可用性的影響。本研究提出了一種代謝物共遞送策略，通過將關鍵代謝物封裝在mRNA LNPs中，以提高mRNA的翻譯效率。實驗結果表明，與不含代謝物的LNPs相比，共遞送ATP和GTP的LNPs在體外和體內均顯著提高了mRNA編碼蛋白的表達水平，尤其在缺氧條件下效果更為顯著。這一策略為改善mRNA LNP療法提供了新的思路。
結果與討論
本研究選擇了四類關鍵代謝物進行共遞送，包括核苷酸/核苷酸衍生物（ATP、GTP、ADP、AMP、焦磷酸）、氨基酸（L-His）、輔酶（NAD、FAD、NADH）和碳水化合物（葡萄糖）。通過微流體混合技術制備了包含這些代謝物的LNPs，并對其進行了表征。結果顯示，LNPs的粒徑在157-187 nm之間，多分散性指數（PDI）在0.14-0.26之間，表面電荷（ζ電位）在-3.5-1.5 mV之間，這些參數與不含代謝物的LNPs相似，表明代謝物的加入并未顯著影響LNPs的物理性質。此外，mRNA的封裝效率在63.0-90.0%之間，各代謝物的封裝效率在5.0-68.9%之間，表明代謝物被成功封裝在LNPs中。螢火蟲熒光素酶（FLuc）表達：在常氧（21%氧氣）和缺氧（1%氧氣）條件下，評估了不同代謝物共遞送的LNPs對FLuc表達的影響。實驗結果顯示，在常氧條件下，共遞送GTP和ATP的LNPs顯著提高了FLuc的表達水平，分別比不含代謝物的LNPs提高了約9倍和8倍（圖2b）。相比之下，共遞送氨基酸、輔酶和碳水化合物的LNPs對FLuc表達水平的提升不顯著（圖2b）。在缺氧條件下，共遞送GTP和ATP的LNPs仍然顯著提高了FLuc的表達水平，分別比不含代謝物的LNPs提高了約19倍和16倍（圖2c）。增強型綠色熒光蛋白（EGFP）表達：通過共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）觀察，發現共遞送GTP和ATP的LNPs在常氧和缺氧條件下均顯著提高了EGFP的表達水平。在常氧條件下，與不含代謝物的LNPs相比，共遞送GTP和ATP的LNPs處理后的細胞顯示出更強的綠色熒光信號（圖2d）。在缺氧條件下，這一趨勢同樣明顯（圖2e）。人促紅細胞生成素（EPO）表達：通過酶聯免疫吸附試驗（ELISA）評估，發現共遞送GTP和ATP的LNPs在常氧和缺氧條件下均顯著提高了EPO的表達水平。在常氧條件下，與不含代謝物的LNPs相比，共遞送GTP和ATP的LNPs處理后的細胞上清液中EPO的濃度分別提高了約3倍和2.5倍（圖2f）。在缺氧條件下，這一提升效果更為顯著，共遞送GTP和ATP的LNPs處理后的細胞上清液中EPO的濃度分別提高了約4倍和3.5倍（圖2g）。
1.3 機制研究結果：
細胞黏附與攝取：通過流式細胞儀和共聚焦顯微鏡觀察，發現共遞送GTP和ATP的LNPs顯著增加了細胞黏附與攝取。與不含代謝物的LNPs相比，共遞送GTP和ATP的LNPs處理后的細胞顯示出更高的幾何平均熒光強度（GMFI），表明更多的LNPs被細胞攝取（圖3a, b）。共聚焦顯微鏡觀察結果進一步證實了這一點，共遞送GTP和ATP的LNPs處理后的細胞內紅色熒光信號（代表Cy5標記的FLuc mRNA）更強（圖3c, d）。內吞機制：通過使用特定的內吞抑制劑（EIPA、NaN?和細胞松弛素D），探究了不同LNPs的內吞途徑。實驗結果顯示，共遞送GTP和ATP的LNPs主要通過能量依賴的內吞途徑被細胞攝取（圖3e-g）。這一發現為理解我們的代謝物共遞送策略如何影響LNPs的細胞攝取提供了重要線索。內涵體逃逸：通過共聚焦顯微鏡和Pearson相關系數（PCC）分析，評估了不同LNPs的內涵體逃逸特性。實驗結果顯示，共遞送GTP和ATP的LNPs在內涵體逃逸方面表現出更好的特性，PCC值顯著低于不含代謝物的LNPs（圖4c）。此外，通過鈣黃綠素泄漏實驗，發現共遞送GTP和ATP的LNPs處理后的細胞中鈣黃綠素信號更廣泛地分布于細胞質中，進一步證實了其更好的內涵體逃逸特性（圖4d）。
1.4 體內療效與耐受性評估結果：
體內FLuc表達：在雌性C57BL/6小鼠中通過尾靜脈注射評估不同LNPs的體內療效。實驗結果顯示，共遞送GTP和ATP的LNPs顯著提高了FLuc在肝臟和脾臟中的表達水平（圖5a, b）。特別是ATP共遞送的LNPs，其FLuc信號強度顯著高于不含代謝物的LNPs（圖5b）。此外，代謝物共遞送策略并未改變LNPs的天然生物分布特性（圖5c）。體內EPO表達：通過ELISA評估血清中EPO的濃度，發現共遞送GTP、ATP和AMP的LNPs顯著提高了EPO的表達水平（圖5d）。這一結果表明，代謝物共遞送策略在體內同樣能夠有效提高mRNA編碼蛋白的表達水平。耐受性評估：通過組織學評估、血液檢測和體重保留研究，發現代謝物共遞送策略在體內表現出良好的耐受性。組織學評估結果顯示，共遞送代謝物的LNPs處理后的小鼠主要器官（肝臟、脾臟和肺）未出現明顯的組織損傷或炎癥反應（圖5e）。血液檢測結果顯示，共遞送代謝物的LNPs處理后的小鼠血液生化指標（如堿性磷酸酶、丙氨酸轉氨酶、天冬氨酸轉氨酶、血尿素氮和肌酐）與PBS對照組無顯著差異（圖5f）。此外，體重保留研究結果顯示，共遞送代謝物的LNPs處理后的小鼠體重與PBS對照組無顯著差異（圖S9）。這些結果表明，代謝物共遞送策略在體內是安全且可耐受的。結論
本研究提出了一種代謝物共遞送策略，通過將關鍵代謝物封裝在mRNA LNPs中，顯著提高了mRNA的翻譯效率。共遞送ATP和GTP的LNPs在體外和體內均表現出優異的療效，尤其在缺氧條件下效果更為顯著。此外，這些LNPs還顯示出良好的耐受性。未來研究將進一步探討ATP和GTP如何改善LNP的遞送效率，并評估該策略在其他疾病模型中的應用潛力。
參考文獻：Ma, Yutian, et al. "A Metabolite Co-Delivery Strategy to Improve mRNA Lipid Nanoparticle Delivery." ACS Applied Materials & Interfaces (2025).
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