近年来，基于信使RNA（mRNA）的基因和蛋白质替代技术在疫苗开发、癌症治疗和再生医学领域展现出巨大潜力。脂质纳米颗粒（LNPs）作为目前最成熟的非病毒mRNA递送系统，已在新冠疫苗中得到广泛应用。然而，尽管肝脏递送方面取得显著进展，实现全身给药后对肝外器官的选择性靶向仍面临重大挑战。现有的策略多依赖于LNP电荷的简单二分调控或脂质化学结构的修改，其在设计LNP-环境界面方面的局限性限制了器官选择性递送的广泛应用。
为此，清华大学邵玥副教授、高华健院士合作开发了一种名为“肽编码器官选择性靶向”（Peptide-encoded organ-selective targeting, POST）的新方法。该方法通过在LNP表面工程中引入特定氨基酸序列（POST代码），实现mRNA在全身给药后对肺、脾、肝等肝外器官的选择性递送。分子动力学模拟及实验验证表明，POST的器官选择性源于肽修饰LNP所形成的特异性蛋白冠，这一过程建立于肽与血浆蛋白之间结合亲和力的力学优化基础上。该平台不仅适用于多种核糖核酸的递送，还可用于多种基因编辑工具的器官特异性递送，显著拓宽了器官选择性递送的应用范围与多功能性。相关论文以Peptide codes for organ-selective mRNA delivery为题，发表在《Nature Materials》，第一作者为Chang Tie。
研究团队首先构建了一个小规模肽库，通过固相合成法制备了包含不同长度和类型亲水氨基酸的肽序列，并将其通过半胱氨酸链接子与DSPE-PEG脂质连接，进一步自组装成肽修饰的LNP。体内实验表明，未经肽修饰的LNP（TLNP）主要靶向肝脏，而修饰不同肽序列的LNP则表现出对肺（如6R-LNP）和脾（如6D-LNP）的高度选择性，且这一过程不依赖于LNP的表面电荷，显示其机制不同于以往报道的电荷依赖性靶向策略。研究还通过荧光标记证实了肽与LNP的结构完整性及其在靶器官中的共定位，进一步排除了器官依赖性表达的可能性。
图1 | POST平台的概念图 a. POST平台示意图；b. 肽与DSPE-PEG通过硫醇-马来酰亚胺点击化学连接的示意图；c. LNP制备过程；d. TLNP和3R-LNP的透射电镜图像；e. 肽库设计与LNPs的zeta电位和尺寸表征；f. 体内递送Luc mRNA的工作流程；g–i. 离体器官发光图像及Luc表达的相对比例；j–l. 肝、肺、脾发光定量；m. Cy5-DSPE、Cy5-mRNA和Cy7-肽的离体分布；n. 流式细胞术分析Cy5+细胞比例。
通过系统筛选不同长度的精氨酸（polyR）和组氨酸（polyH）肽，团队发现器官靶向性能对肽长度极其敏感。例如，6R-LNP表现出最优的肺靶向性，而5R或7R则丧失该特性；同样，9H-LNP靶向肝脏，而10H或5-6H则转向脾脏靶向。点突变实验进一步表明，单个氨基酸的替换（如将6R末端的精氨酸替换为赖氨酸）也会显著影响器官选择性。这些结果说明，POST代码可通过序列的模块化调整精确调控递送靶向性和效率。
图2 | 通过肽代码调节器官选择性和递送效率 a–b. 2–10R和2–10H肽修饰LNPs的离体发光图像；c. Luc在肝、肺、脾中的相对表达；d. 通过肽长度切换器官选择性的示意图；e–g. 点突变实验及肺发光定量；h–k. 点突变对脾靶向的影响及发光定量；l. 通过序列重排调节递送效率的示意图。
为揭示POST代码的机制，团队分析了6R-LNP、6D-LNP和TLNP的蛋白冠组成。质谱分析表明，肺靶向的6R-LNP特异性富集了玻璃粘连蛋白（Vtn），而脾靶向的6D-LNP则富集了Fam114a2、Clec1b等蛋白。分子动力学模拟和拉伸分子动力学（SMD）仿真表明，6R与Vtn的结合在机械强度、刚性和断裂能方面均达到最优，这种力学亲和力优化是肺靶向性的关键。体外实验进一步验证，Vtn蛋白冠可通过其受体αvβ3整合素介导6R-LNP的细胞摄取，而敲低或过表达该受体可相应抑制或增强靶向递送效果。
图3 | POST代码的器官选择性机制 a. 血浆蛋白的SDS-PAGE分析；b. 蛋白冠中top50蛋白的等电点分布；c. 蛋白冠的生理类别分布；d–e. 差异吸附蛋白的火山图；f–g. GO富集分析；h. 6R-Vtn分子组装模型；i. SMD模拟轨迹快照；j. 力-延伸曲线；k–m. 不同R数量的峰值力、初始刚性能量释放率；n. POST代码通过蛋白冠签名实现靶向的示意图。
研究还构建了基于AI的肽序列设计框架，通过结构引导的蛋白质语言模型预测并筛选出与Vtn具有更高亲和力的肽序列RRRYRR。体内外实验证实，RRRYRR-LNP相比6R-LNP具有更强的肺靶向性和递送效率，展示了计算辅助设计POST代码的强大潜力。
图4 | 肺趋向性肽序列的理性设计 a. AI辅助设计流程图；b. AlphaFold 3生成的肽-Vtn复合物结构；c. 结合能计算；d. Vtn结合实验流程；e. ELISA检测Vtn吸附量；f. 离体器官发光图像；g. 肝、肺、脾发光定量；h. Luc相对表达比例。
POST平台展现出广泛的适用性：在不同离子化脂质（如MC3、SM-102、ALC-0315、LP01）和磷脂（如DSPC、DOPC、DOPE、HSPC）配方中均保持器官选择性；可实现Luc与EGFP mRNA的共递送；并能有效递送反义寡核苷酸（ASO），在肝、肺、脾中实现基因沉默。此外，团队还成功构建了靶向胎盘、骨髓、脂肪组织和睾丸的POST-LNPs，拓展了肝外器官递送的范围。
图5 | POST代码作为通用平台 a–b. 不同可电离脂质下的器官发光图像与相对表达；c–e. 肝、肺、脾发光定量；f–g. 不同磷脂下的发光图像与相对表达；h–j. 肝、肺、脾发光定量；k–m. 多mRNA递送结果与EGFP表达变化；n–q. ASO递送实验设计、离体荧光图像、EGFP+细胞比例及组织切片荧光图像。
在基因编辑应用中，POST代码成功实现了器官选择性的Cre-loxP重组和CRISPR/Cas9编辑。在报告基因小鼠模型中，3R、6R和6D-LNP分别介导了肝、肺、脾特异性基因编辑；此外，靶向Pten和Pcsk9的编辑实验不仅证实了组织特异性敲低效果，还观察到Pcsk9抑制后的功能性输出（如胆固醇水平下降）。单细胞RNA测序和流式分析进一步表明，POST-LNPs可高效递送mRNA至肺和脾中的实质细胞及多种功能细胞类型，如肺泡上皮细胞、成纤维细胞、B细胞、巨噬细胞等。
图6 | POST代码实现器官选择性基因编辑 a. Cre mRNA编辑实验设计；b. 离体器官EGFP荧光图像；c. 组织切片的共聚焦荧光图像；d. CRISPR/Cas9编辑实验设计；e. 离体tdTomato荧光图像；f. 组织切片荧光图像；g. Pten编辑实验设计；h. 编辑流程；i. PTEN免疫组化图像；j. 平均光密度定量；k. Pcsk9编辑实验设计；l. Western blot结果；m. 血浆Pcsk9水平；n. 血浆胆固醇水平。
总之，该研究开发的POST平台通过肽代码的序列多样性实现了LNP器官靶向性的模块化、多变量调控，克服了现有策略在设计灵活性和机制深度上的局限。该工作不仅揭示了肽-蛋白相互作用力学在调控生物分子组装与器官靶向中的关键作用，也为未来整合人工智能与大尺度筛选方法开发细胞与器官特异性RNA递送系统开辟了新道路。
https://www.nature.com/articles/s41563-025-02331-6
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