Modular Design of Biodegradable Ionizable Lipids for Improved mRNA Delivery and Precise Cancer Metastasis Delineation In Vivo

化学 体内 连接器 荧光素酶 内体 信使核糖核酸 生物化学 生物物理学 基因 细胞 遗传学 生物 计算机科学 转染 操作系统
作者
Zhaoming Chen,Yang Tian,Jieyu Yang,Fapu Wu,Senyao Liu,Wenwen Cao,Weijia Xu,Tao Hu,Daniel J. Siegwart,Hu Xiong
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (44): 24302-24314 被引量:101
标识
DOI:10.1021/jacs.3c09143
摘要

Lipid nanoparticles (LNPs) represent the most clinically advanced nonviral mRNA delivery vehicles; however, the full potential of the LNP platform is greatly hampered by inadequate endosomal escape capability. Herein, we rationally introduce a disulfide bond-bridged ester linker to modularly synthesize a library of 96 linker-degradable ionizable lipids (LDILs) for improved mRNA delivery in vivo. The top-performing LDILs are composed of one 4A3 amino headgroup, four disulfide bond-bridged linkers, and four 10-carbon tail chains, whose unique GSH-responsive cone-shaped architectures endow optimized 4A3-SCC-10 and 4A3-SCC-PH lipids with superior endosomal escape and rapid mRNA release abilities, outperforming their parent lipids 4A3-SC-10/PH without a disulfide bond and control lipids 4A3-SSC-10/PH with a disulfide bond in the tail. Notably, compared to DLin-MC3-DMA via systematic administration, 4A3-SCC-10- and 4A3-SCC-PH-formulated LNPs significantly improved mRNA delivery in livers by 87-fold and 176-fold, respectively. Moreover, 4A3-SCC-PH LNPs enabled the highly efficient gene editing of 99% hepatocytes at a low Cre mRNA dose in tdTomato mice following intravenous administration. Meanwhile, 4A3-SCC-PH LNPs were able to selectively deliver firefly luciferase mRNA and facilitate luciferase expression in tumor cells after intraperitoneal injection, further improving cancer metastasis delineation and surgery via bioluminescence imaging. We envision that the chemistry adopted here can be further extended to develop new biodegradable ionizable lipids for broad applications such as gene editing and cancer immunotherapy.
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