mRNA vaccines have the potential to tackle many unmet medical needs that are unable to be addressed with conventional vaccine technologies. A potent and well-tolerated delivery technology is integral to fully realizing the potential of mRNA vaccines. Pre-clinical and clinical studies have demonstrated that mRNA delivered intramuscularly (IM) with first-generation lipid nanoparticles (LNPs) generates robust immune responses. Despite progress made over the past several years, there remains significant opportunity for improvement, as the most advanced LNPs were designed for intravenous (IV) delivery of siRNA to the liver. Here, we screened a panel of proprietary biodegradable ionizable lipids for both expression and immunogenicity in a rodent model when administered IM. A subset of compounds was selected and further evaluated for tolerability, immunogenicity, and expression in rodents and non-human primates (NHPs). A lead formulation was identified that yielded a robust immune response with improved tolerability. More importantly for vaccines, increased innate immune stimulation driven by LNPs does not equate to increased immunogenicity, illustrating that mRNA vaccine tolerability can be improved without affecting potency.

The success of mRNA-based therapies depends on the availability of a safe and efficient delivery vehicle. Lipid nanoparticles have been identified as a viable option. However, there are concerns whether an acceptable tolerability profile for chronic dosing can be achieved. The efficiency and tolerability of lipid nanoparticles has been attributed to the amino lipid. Therefore, we developed a new series of amino lipids that address this concern. Clear structure-activity relationships were developed that resulted in a new amino lipid that affords efficient mRNA delivery in rodent and primate models with optimal pharmacokinetics. A 1-month toxicology evaluation in rat and non-human primate demonstrated no adverse events with the new lipid nanoparticle system. Mechanistic studies demonstrate that the improved efficiency can be attributed to increased endosomal escape. This effort has resulted in the first example of the ability to safely repeat dose mRNA-containing lipid nanoparticles in non-human primate at therapeutically relevant levels. The success of mRNA-based therapies depends on the availability of a safe and efficient delivery vehicle. Lipid nanoparticles have been identified as a viable option. However, there are concerns whether an acceptable tolerability profile for chronic dosing can be achieved. The efficiency and tolerability of lipid nanoparticles has been attributed to the amino lipid. Therefore, we developed a new series of amino lipids that address this concern. Clear structure-activity relationships were developed that resulted in a new amino lipid that affords efficient mRNA delivery in rodent and primate models with optimal pharmacokinetics. A 1-month toxicology evaluation in rat and non-human primate demonstrated no adverse events with the new lipid nanoparticle system. Mechanistic studies demonstrate that the improved efficiency can be attributed to increased endosomal escape. This effort has resulted in the first example of the ability to safely repeat dose mRNA-containing lipid nanoparticles in non-human primate at therapeutically relevant levels.

Abstract Directional cell movement through tissues is critical for multiple biological processes and requires maintenance of polarity in the face of complex environmental cues. Here we use intravital imaging to demonstrate that secretion of exosomes from late endosomes is required for directionally persistent and efficient in vivo movement of cancer cells. Inhibiting exosome secretion or biogenesis leads to defective tumour cell migration associated with increased formation of unstable protrusions and excessive directional switching. In vitro r escue experiments with purified exosomes and matrix coating identify adhesion assembly as a critical exosome function that promotes efficient cell motility. Live-cell imaging reveals that exosome secretion directly precedes and promotes adhesion assembly. Fibronectin is found to be a critical motility-promoting cargo whose sorting into exosomes depends on binding to integrins. We propose that autocrine secretion of exosomes powerfully promotes directionally persistent and effective cell motility by reinforcing otherwise transient polarization states and promoting adhesion assembly.

Abstract Endosomal sequestration of lipid-based nanoparticles (LNPs) remains a formidable barrier to delivery. Herein, structure-activity analysis of cholesterol analogues reveals that incorporation of C-24 alkyl phytosterols into LNPs (eLNPs) enhances gene transfection and the length of alkyl tail, flexibility of sterol ring and polarity due to -OH group is required to maintain high transfection. Cryo-TEM displays a polyhedral shape for eLNPs compared to spherical LNPs, while x-ray scattering shows little disparity in internal structure. eLNPs exhibit higher cellular uptake and retention, potentially leading to a steady release from the endosomes over time. 3D single-particle tracking shows enhanced intracellular diffusivity of eLNPs relative to LNPs, suggesting eLNP traffic to productive pathways for escape. Our findings show the importance of cholesterol in subcellular transport of LNPs carrying mRNA and emphasize the need for greater insights into surface composition and structural properties of nanoparticles, and their subcellular interactions which enable designs to improve endosomal escape.