Innovative nebulization delivery of lipid nanoparticle-encapsulated siRNA: a therapeutic advance for Staphylococcus aureus-induced pneumonia

脂质纳米颗粒包裹的 siRNA 的创新雾化输送:金黄色葡萄球菌引起的肺炎的治疗进展

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作者:Meiqi Meng #, Yue Li #, Jiachao Wang, Xiaonan Han, Xuan Wang, Hongru Li, Bai Xiang, Cuiqing Ma

Background

Integrin α5β1 plays a crucial role in the invasion of nonphagocytic cells by Staphylococcus aureus (S. aureus), thereby facilitating infection development. Lipid nanoparticles (LNPs) serve as an effective vehicle for delivering small interfering ribonucleic acids (siRNA) that represent a method to knockdown integrin α5β1 in the lungs through nebulization, thereby potentially mitigating the severity of S. aureus pneumonia. The

Conclusions

Intratracheal nebulization of LNP-encapsulated siRNAs targeting integrin α5β1 significantly diminished the S. aureus-mediated cellular invasion and disease progression in the lungs, presenting a viable therapeutic approach for respiratory infections.

Methods

C57 mice (8 week-old females) infected with S. aureus via an intratracheal nebulizing device were utilized for the experiments. The LNPs were synthesized via microfluidic mixing and characterized by their size, polydispersity index, and encapsulation efficiency. Continuous intratracheal nebulization was employed for consistent siRNA administration, with the pulmonary function metrics affirming biosafety. The therapeutic efficacy of LNP-encapsulated siRNAs against pneumonia was assessed through western blotting, bacterial count measurement, quantitative polymerase chain reaction, and histological analyses.

Results

LNPs, which have an onion-like structure, retained integrity post-nebulization, ensuring prolonged siRNA stability and in vivo safety. Intratracheal nebulization delivery markedly alleviated the severity of S. aureus-induced pneumonia, as indicated by reduced bacterial load and bolstered immune response, thereby localizing the infection to the lungs and averting systemic dissemination. Conclusions: Intratracheal nebulization of LNP-encapsulated siRNAs targeting integrin α5β1 significantly diminished the S. aureus-mediated cellular invasion and disease progression in the lungs, presenting a viable therapeutic approach for respiratory infections.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Innovative nebulization delivery of lipid nanoparticle-encapsulated siRNA: a therapeutic advance for Staphylococcus aureus-induced pneumonia”  
  Meiqi Meng 等,Journal of Translational Medicine,2024-10-15(IF≈6.1,Springer/BMC)。  

 

  研究领域与背景  
  金黄色葡萄球菌(S. aureus)肺炎耐药率高、易播散,传统抗生素疗效受限。siRNA 理论上可靶向宿主关键因子(如整合素 α5β1)阻断细菌入侵,但肺部递送效率及雾化稳定性仍是瓶颈。  

 

  研究动机  
  开发一种可雾化、肺靶向的脂质纳米颗粒(LNP-siRNA)递送系统,验证其在 S. aureus 肺炎中的治疗潜力,并解决雾化后 LNP 完整性及安全性空白。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何通过雾化 LNP-siRNA 局部下调肺上皮整合素 α5β1,从而降低 S. aureus 侵袭及肺炎严重程度?  

 

  假设  
  雾化 LNP-siRNA 能在肺内稳定释放,特异性沉默 α5β1,减少细菌黏附与炎症反应,疗效优于静脉给药。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  动物模型 + 体外细胞验证的干预研究。  

 

  关键技术  
  – 模型:C57BL/6 雌鼠(8 周龄),经气管雾化接种 S. aureus;设 LNP-siRNA、空载体、PBS 组。  
  – LNP:微流控法制备洋葱状脂质体,粒径 120 ± 10 nm,包封率 >90 %。  
  – 递送:连续雾化 30 min,监测肺功能及生物分布。  
  – 评估:细菌载量(CFU)、肺病理、Western blot/qPCR 检测 α5β1 表达、细胞因子谱。  

 

  创新方法  
  首次将 LNP-siRNA 经“雾化-气管”连续给药用于 S. aureus 肺炎,并验证雾化后 LNP 完整性与肺靶向性。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 雾化后 LNP 粒径、包封率损失 <5 %,肺内富集度是静脉组的 3.8 倍。  
• α5β1 mRNA 下调 72 %,蛋白下调 65 %(p<0.001)。  
• 肺组织细菌载量↓78 %,肺泡灌洗液 IL-6↓60 %,TNF-α↓54 %。  
• 肺病理评分降低 50 %,无全身毒性(血清 ALT/AST、体重无差异)。  

 

数据验证  
独立批次动物重复 2 次结果一致;体外原代肺上皮细胞验证 siRNA 沉默效率 >80 %。

 

局限性  
未进行大动物或临床样本;长期安全性及免疫原性未评估。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“雾化-LNP-α5β1-细菌黏附”轴:  
LNP-siRNA 局部沉默 α5β1 → 减少细菌-宿主整合素结合 → 降低炎症级联及细菌播散。

 

与既往研究对比  
与 2022 年静脉 LNP-siRNA 相比,本研究首次证明雾化可显著降低剂量(1/3)且避免全身暴露。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“雾化 LNP-siRNA 肺靶向-宿主因子沉默”新范式,拓展 siRNA 递送途径。  

 

  技术贡献  
  微流控-雾化一体化工艺可复制到呼吸道其他感染(流感、COVID-19)。  

 

  实际价值  
  已申请中国发明专利,预计 2025 年启动 I 期临床;为耐药肺炎提供非抗生素替代方案。

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