Owen M. Kelly | Andrew R. Hanna | Addison K. Byrne | Jonathan A. Green | Iuri Viotti Perisse | Kevin D. Wells | Stephen A. Murray | Jie Xu | Y. Eugene Chen | Irina A. Polejaeva | Alice F. Tarantal | David Issadore | Alexandra S. Piotrowski-Daspit
密歇根大学生物医学工程系，美国密歇根州安娜堡
摘要
非病毒性纳米药物，包括由脂质和聚合物组成的纳米颗粒（NPs），为药物和基因治疗提供了一种变革性的方法。然而，这些技术的临床转化受到两个关键障碍的限制：纳米颗粒配方的放大以及在进行相关动物模型中的预测性临床前研究的挑战。从成本和材料需求的角度来看，高效放大纳米药物需要制造工艺，能够可靠地在从发现阶段（千克产品）到大规模生产的多个数量级上提供产品。此外，最初的临床前研究通常在小鼠模型中进行；然而，对于评估用于人类不同年龄组的治疗策略的安全性、效率和有效性而言，兔子、猪、羊和非人灵长类等中型到大型动物模型与人类更为相关。本综述总结了一些当前用于放大纳米药物生产的策略，以进行转化研究。还讨论了用于纳米颗粒评估和筛选的动物模型和新方法，包括在比较啮齿动物模型与大型物种时的生理差异，这些差异可能会影响纳米颗粒的递送。同时，也强调了在放大和临床前验证方面面临的当前挑战，目的是突出那些可以考虑用于人类试验的可扩展、有效的纳米药物平台。
引言
纳米级载体由天然或合成材料制成，是多功能载体，可以有效地将各种治疗性载荷递送到细胞中。常用的非病毒性药物递送系统包括基于脂质和聚合物的纳米颗粒（NPs），它们通常因其生理生物相容性和有效包装核酸形式的治疗性载荷的能力而被选择。[1] 聚合物纳米颗粒（PNPs）和脂质纳米颗粒（LNPs）都具有独特的优势，使其成为封装药物载荷的理想选择。例如，PNPs可以设计成具有可调性质的颗粒，包括化学组成、直径、表面电荷和可控的载荷释放。[2] 目前临床应用的一种基于聚合物的疗法是Lupron Depot，它利用可生物降解和生物相容的材料聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）制成的微球来治疗子宫内膜异位症。[3] PLGA纳米颗粒也被用于癌症治疗研究中的化疗药物封装。[2] LNPs同样具有生物降解性和生物相容性，并且表现出高效率的核酸封装能力。[4],[5] 值得注意的是，LNPs曾被用于SARS-CoV-2疫苗中mRNA的封装。[6]
在临床转化方面，放大基于纳米颗粒的治疗药物的生产能力至关重要。尽管PNPs和LNPs在治疗效果上具有潜力，但从实验室规模扩大到商业生产并最终进入临床仍面临复杂挑战。例如，在基于LNPs的SARS-CoV-2疫苗的开发过程中，制造商在疫苗的放大和分发方面遇到了障碍，包括资源有限和生产时间要求紧迫等问题。[7] 放大纳米颗粒配方需要优化小批量/实验室协议，以便在保持关键特性（如直径/大小、表面电荷、载荷封装效率、无菌性和安全性/毒性）的质量控制的同时实现大规模生产。此外，在配方过程中必须保护敏感的药物载荷（如核酸），以保持其治疗功能。由于需要同时平衡制造效率、最大化生产产量、采购原材料、降低成本、质量保证/质量控制（QA/QC）以及适当处理任何潜在的环境危害，放大过程可能难以优化。据报道，一个药物开发项目进入临床阶段的成本至少为3.5亿美元。[8] 虽然发现阶段的研究可能需要很长时间，但这一阶段的成本远低于放大阶段，因为在放大阶段必须维持关键的QA/QC功能并满足良好生产规范（GMP）要求。在本综述中，我们介绍了一些常见的纳米颗粒配方技术和策略，用于将纳米材料的生产率从发现阶段放大到大型动物评估，并为临床试验做准备。这里我们重点关注LNPs和PNPs，因为这两类非病毒性载体是生物医学应用中最常用和增长最快的载体。作者也承认还有其他类型的载体被使用，但这些超出了本综述的范围。读者可以参考相关文献以获取更多信息。[5],[9],[10]
将基于纳米药物的治疗从实验室推向临床的关键组成部分是在一系列小型和大型动物模型中进行彻底测试。啮齿动物模型（如小鼠和大鼠）由于体积小、易于维护、可进行的基因修饰种类繁多以及有各种成熟的疾病模型，被用于早期发现和评估各种药物及药物递送系统的安全性和潜在疗效。[11] 然而，啮齿动物与人类在生理特征（包括免疫系统）方面存在显著差异。[12] 因此，在进行临床试验之前，必须在与人类更相似的大型动物模型中临床前评估纳米药物的治疗潜力。中型动物模型（如兔子）[13] 和大型物种（如羊、猪和非人灵长类，特别是恒河猴）在解剖学、发育、生理学、遗传学和行为方面与人类有相似之处。[14],[15],[16],[17],[18],[19] 目前，从一期临床试验进入市场批准的纳米药物比例约为6%。这突显了在商业化之前使用生理相关模型的重要性。[20] 在本综述中，我们强调了一些对未来人类应用具有重要启示的关键特征。结合这些关键模型的是新的方法（NAMs），它们可以共同提供使用人类细胞的生理相关培养模型和体内实验的见解，以确保充分探索生理复杂性。这些亮点并不旨在成为全面的综述；读者可以参考相关文献以获取更多信息。
脂质和聚合物纳米颗粒的放大
将纳米治疗药物从发现阶段放大到商业化阶段需要配方技术，以确保临床级治疗性纳米颗粒及其相应载荷分子的均匀和一致生产。例如，单个实验室可以通过体外转录（IVT）每批生成数十微克（约25毫克）的mRNA。[21] 相比之下，在商业规模上，辉瑞公司生产了超过十亿剂SARS-CoV-2疫苗，每剂疫苗包含
动物模型
啮齿动物模型在纳米颗粒开发方面取得了重大进展，但由于许多生理和免疫学差异，这些模型在临床转化中的预测价值受到限制。因此，在进行人体临床试验之前，在更具解剖学和生理学相关性的动物模型中进行测试可以在纳米药物开发中发挥关键作用，确保研究设计合理并考虑到所选物种的优势。可重复性和质量保证/质量控制
在纳米颗粒放大过程中，最大的挑战之一是载体质量和特性的可重复性；在商业规模上，通常需要对实验室规模的过程进行重大修改。为了大规模生产治疗性纳米颗粒，所需的修改可能会导致与小规模发现阶段生产相比生产结果的不一致性。在这些更高生产规模下，纳米颗粒的大小、表面电荷和载荷加载的变化会危及其疗效。结论
将纳米颗粒配方放大到商业用途目前是临床转化的主要瓶颈。PNPs和LNPs可以在实验室环境中使用多种不同的配方技术生产，但由于各种制造复杂性，这些技术不适合大规模生产。可以采用几种纳米颗粒配方放大策略来增加产量，包括混合设备、挤出和乳剂基技术。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。致谢
图表使用BioRender和Adobe Illustrator制作。这项工作得到了美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划（NSF GRFP，授予A.H.）的支持。D.I.还得到了以下机构的支持：MRSECHT94252311039、NSF Biofoundry和Welcome Trust LEAP。这项工作还得到了国立卫生研究院 （NIH；R00HL151806，授予A.S.P.）、囊性纤维化基金会 （CFF；PIOTRO21F5，授予A.S.P.）、Emily's Entourage（研究资助，授予A.S.P.）等的资助。
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