Rational Design of Bisphosphonate Lipid-like Materials for mRNA Delivery to the Bone Microenvironment

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作者
Lulu Xue,Ningqiang Gong,Sarah J. Shepherd,Xinhong Xiong,Xueyang Liao,Xuexiang Han,Gan Zhao,Chao Song,Xisha Huang,Hanwen Zhang,Marshall S. Padilla,Jingya Qin,Yi Shi,Mohamad‐Gabriel Alameh,Darrin J. Pochan,Karin Wang,Fanxin Long,Drew Weissman,Michael J. Mitchell
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (22): 9926-9937 被引量:158
标识
DOI:10.1021/jacs.2c02706
摘要

The development of lipid nanoparticle (LNP) formulations for targeting the bone microenvironment holds significant potential for nucleic acid therapeutic applications including bone regeneration, cancer, and hematopoietic stem cell therapies. However, therapeutic delivery to bone remains a significant challenge due to several biological barriers, such as low blood flow in bone, blood–bone marrow barriers, and low affinity between drugs and bone minerals, which leads to unfavorable therapeutic dosages in the bone microenvironment. Here, we construct a series of bisphosphonate (BP) lipid-like materials possessing a high affinity for bone minerals, as a means to overcome biological barriers to deliver mRNA therapeutics efficiently to the bone microenvironment in vivo. Following in vitro screening of BP lipid-like materials formulated into LNPs, we identified a lead BP-LNP formulation, 490BP-C14, with enhanced mRNA expression and localization in the bone microenvironment of mice in vivo compared to 490-C14 LNPs in the absence of BPs. Moreover, BP-LNPs enhanced mRNA delivery and secretion of therapeutic bone morphogenetic protein-2 from the bone microenvironment upon intravenous administration. These results demonstrate the potential of BP-LNPs for delivery to the bone microenvironment, which could potentially be utilized for a range of mRNA therapeutic applications including regenerative medicine, protein replacement, and gene editing therapies.
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