今(28)日，唐獎大師論壇生技醫藥場於清華大學登場，本屆得主彼得·庫利斯(Pieter Cullis)，介紹實現mNRA疫苗與基因療法的關鍵——脂質奈米顆粒(Lipid nanoparticles, LNP)的開發歷程。在綜合討論中，則由清華大學校長高為元主持，並邀請中研院生醫轉譯研究中心吳漢忠主任、Onward Therapeutics 董事長兼執行長葉常菁、林口長庚醫院副院長邱政洵，與Cullis交流討論脂質奈米顆粒的應用與當前挑戰。
 

Cullis從基礎研究到臨床應用開發

 
Cullis在1972年取得固態物理學博士學位後，帶著其在磁共振(magnetic resonance)的專長，投入膜脂質(membrane lipids)的基礎研究。
 
Cullis發現在生物膜上的許多脂質，可以形成多種非雙層(non-bilayer)結構的形狀，稱為脂質多型性(lipid polymorphism)，也發現生物膜上的脂質分布為非對稱性。
 
Cullis與團隊並透過開發儀器製作人工生物膜模型，進一步發現這些非雙層結構脂質，對於膜融合非常重要，以及合成出一種「可離子化的陽離子脂質」DODAP，可利用酸鹼值梯度帶動其分布改變。
 
由於看出脂質奈米顆粒在藥物傳輸上的潛力，Cullis一路以來創立過11家公司，在1985到1995年間，他首先專注在開發讓抗癌藥物更精準地被遞送至目標腫瘤的方式，在1995年之後，則開發遞送核酸類藥物至目標細胞內的方法，先實現以siRNA抑制基因表現，再到以mRNA主動製造特定蛋白質的創新基因療法。
 

可離子化陽離子脂質 打造核酸傳輸系統

 
Cullis指出，團隊利用DODAP在酸性環境中帶正電，在中性環境則不帶電的特性，開發出包裹核酸聚合物的脂質奈米顆粒系統，避免核酸藥物進入體內時，被免疫系統清除。
 
這套方法包括先把RNA、DNA等核酸聚合物放在水溶液中，並準備含有DODAP、DSPC、膽固醇、聚乙二醇化脂質(PEG-lipid)等物質的乙醇溶液，將兩者快速混合，此時帶正電的脂質能包裹帶負電的核酸聚合物，最後將乙醇透稀(dialyze)掉、提高pH值至中性，維持脂質奈米顆粒的穩定性。
 
Cullis分享，其與Alnylam公司從2005至2012年間合作了7年，合成了超過300種不同的脂質，測試超過300種脂質奈米顆粒配方，最終打造出以靜脈注射方式，將帶有siRNA的脂質奈米顆粒遞送至肝臟細胞的方法，並在小鼠模型上證實siRNA成功抑制了肝臟中的特定基因表現。
 
Alnylam公司後續以脂質奈米顆粒傳輸系統開發出的遺傳性澱粉樣蛋白疾病(hATTR) siRNA療法，在2018年獲得美國FDA批准，成為生技醫藥史上的重大里程碑。
 
另一方面，Cullis在2009年創立Acuitas Therapeutics，開始研究包裹mRNA的脂質奈米顆粒系統，而賓州大學Drew Weissman教授和BioNTech的Katalin Kariko，則是在2014年來與Cullis合作，以解決其mRNA疫苗在體內傳輸的問題。
 
雙方研究將脂質奈米顆粒傳輸到肝臟，讓肝臟細胞表現出特定蛋白質，並在小鼠模型中驗證了其開發的茲卡病毒疫苗。2020年初，新冠疫情(COVID-19)突然爆發，BioNTech快速開發出有效性高達95%的新冠疫苗，mRNA疫苗一炮而紅。
 
Cullis說：「LNP-mRNA療法是繼小分子藥物、生物製劑後的第三代製藥，可以應用於傳染性疾病、慢性疾病、遺傳性疾病等非常廣泛的疾病。其旅程才剛剛開始！」
 

脂質奈米顆粒傳輸系統仍受限體內屏障

 
在Cullis演講後的綜合討論，則由清華大學校長高為元主持，並邀請中研院生醫轉譯研究中心吳漢忠主任、Onward Therapeutics 董事長兼執行長葉常菁、林口長庚醫院副院長邱政洵，從產研醫不同面向與Cullis交流，討論脂質奈米顆粒的應用與當前挑戰。
 
吳漢忠首先以因聚合脂質奈米顆粒的聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)成分，導致接種mRNA疫苗後的不良過敏反應，提出是否有其他替代或解決方案？
 
Cullis回應表示，PEG與過敏反應是否有絕對關係，目前還未有定論，但PEG是穩定疫苗的重要成分，他表示這種毒性與酸鹼度有關，越接近中性其毒性越高；而疫苗開發要衡量的事情很多，必須在多方考量下，取得平衡，他也樂觀認為，這種毒性是可控制的。
 
接著葉常菁則詢問Cullis在開發不同脂質奈米顆粒配方的傳輸系統來治療疾病時，在脂質奈米顆粒的應用上，最大的局限為何？
 
Cullis認為，脂質奈米顆粒傳輸系統，主要還是會受限人體內各種屏障，特別是血腦屏障(blood-brain barrier, BBB)，雖然現在有透過超音波來打開血腦屏障給藥的技術，但在脂質奈米顆粒傳輸系統上，其還是無法有效突破此屏障。
 
最後是專長在兒童感染、細菌致病機制並長期研究纖維性囊腫(cystic fibrosis)疾病研究的邱政洵醫師，提問纖維性囊腫疾病在基因療法上的可行性。
 
Cullis表示，纖維性囊腫主要為體染色體隱性遺傳疾病，其發生突變的CFTR基因比較大，在開發基因療法上，變得困難與複雜，除此之外，藥物在進到人體內還需要突破許多生物黏膜層，他認為當前需開發一個轉染效果好且能在體內有更長循環時間的系統。
 
(報導/劉馨香、彭梓涵)
 
演講影片：https://youtu.be/LoK94h9QFIM
演講中文口譯影片：https://youtu.be/KJh4BfXPgTo