Membrane-destabilizing ionizable phospholipids for organ-selective mRNA delivery and CRISPR–Cas gene editing

内体 清脆的 合理设计 体内 信使核糖核酸 核糖核酸 化学 磷脂 细胞生物学 基因组编辑 亚基因组mRNA Cas9 生物 基因传递 脂质体 生物化学 基因 遗传增强 细胞 遗传学
作者
Shuai Liu,Qiang Cheng,Tuo Wei,Xueliang Yu,Lindsay T. Johnson,Lukas Farbiak,Daniel J. Siegwart
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:20 (5): 701-710 被引量:601
标识
DOI:10.1038/s41563-020-00886-0
摘要

Endosomal escape remains a fundamental barrier hindering the advancement of nucleic acid therapeutics. Taking inspiration from natural phospholipids that comprise biological membranes, we report the combinatorial synthesis of multi-tailed ionizable phospholipids (iPhos) capable of delivering messenger RNA or mRNA/single-guide RNA for gene editing in vivo. Optimized iPhos lipids are composed of one pH-switchable zwitterion and three hydrophobic tails, which adopt a cone shape in endosomal acidic environments to facilitate membrane hexagonal transformation and subsequent cargo release from endosomes. Structure–activity relationships reveal that iPhos chemical structure can control in vivo efficacy and organ selectivity. iPhos lipids synergistically function with various helper lipids to formulate multi-component lipid nanoparticles (called iPLNPs) for selective organ targeting. Zwitterionic, ionizable cationic and permanently cationic helper lipids enable tissue-selective mRNA delivery and CRISPR–Cas9 gene editing in spleen, liver and lungs (respectively) following intravenous administration. This rational design of functional phospholipids demonstrates substantial value for gene editing research and therapeutic applications. Ionizable phospholipid nanoparticles have been designed to efficiently destabilize endosomal membranes and mediate organ-selective mRNA delivery and CRISPR–Cas9 gene editing.
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