脂质纳米颗粒制剂中的mRNA-free LNPs(空壳LNPs)的结构特征及其影响
2025-12-08 来源:本站 点击次数:93脂质纳米颗粒（LNPs）已经成为mRNA传递的通用平台，在一系列应用中得到应用，包括疾病预防、癌症免疫治疗和基因编辑。典型的LNPs配方由可电离的阳离子脂质、辅助脂质、胆固醇和聚乙二醇(PEG)四种脂质组成，这些成分在稳定性、结构、包封效率以及体内外相互作用中都发挥着至关重要的作用。负载了核酸的LNPs的内部结构和表面形态会随着脂质成分的不同而产生变化，从而影响终产品的稳定性和治疗效果。
近日，上海交通大学陈晓霞、哈尔滨医科大学刘卓等在《Journal of Controlled Release》上发表题为“Structural characterization of mRNA lipid nanoparticles (LNPs) in the presence of mRNA-free LNPs”的研究论文。
该研究针对一个长期被忽视却具有重要意义的问题：mRNA-LNP制剂中存在大量mRNA-free LNPs（即未载mRNA的空壳颗粒）提出了解决方案，并建立了更为精确的mRNA-LNP结构模型。
mRNA-LNPs内的脂质分布至关重要，这是制备和功效的关键因素。然而，最近的研究结果表明，通过商业微流体技术制备的mRNA-LNP样品可能含有相当一部分不含mRNA的LNP，作者使用纳米流式细胞术量化mRNA-LNP样品中无mrna LNPs的比例高达30%。
本文采用对比变换小角中子散射（contrast variation SANS）技术，结合纳米流式细胞术（NanoFCM），定量解析了mRNA-free LNPs的存在比例，并在此基础上提出了剔除空颗粒干扰后的mRNA-loaded LNPs结构表征方法。
一、mRNA-free和mRNA-LNP样品的基本表征
作者使用Moderna脂质配方（SM-102 : DSPC : Chol : PEG = 50 : 10 : 38.5 : 1.5）和2856个核苷酸长度的mRNA制备的LNP样品中，mRNA-free颗粒的比例约为27.7%。通过SANS与VSANS技术对mRNA-free LNPs进行结构解析，建立了其core-shell椭球模型。进一步，将包含mRNA的样品（即raw mRNA-LNPs）中空壳LNPs的散射信号剔除，得以首次实现对mRNA-loaded LNPs的纯净结构信号分离与建模。
图1 无mrna lnp和原始mRNA-LNP样品的基本特征
二、mRNA-free的结构表征
LNPs在mRNA疫苗中具有双重作用，既可作为增强免疫效果的佐剂，又可能成为免疫原引发不良反应。因此，在空载LNPs显著存在的情况下，了解LNPs的结构对于阐明mRNA疫苗的药代动力学和生物分布至关重要。作者采用超小角中子散射(very small angle neutron scattering, VSANS)技术来表征空载LNPs的结构，将mRNA-free样品悬浮在不同比例的D2O/H2O溶剂中(图2a)，收集VSANS数据，确定LNP核心和壳层内的脂质分布。根据VSANS数据拟合结果，提出了mRNA-free的核心-壳层结构模型(图2b），详细确定了核心和壳层的体积分数、溶剂含量及脂质组成等参数。
图2 无mrna LNPs的VSANS结构表征
该研究不仅给出了mRNA-loaded与mRNA-free LNPs的结构模型，还指出了结构解析方法的适用边界：若mRNA-free LNPs占比不高（例如<30%），则原始样品也可用于某些结构参数的分析（如壳厚、脂质组成）；但若需准确获取核心大小、溶剂比例或mRNA负载量等信息，则必须定量剔除空壳颗粒的干扰。该原则为今后LNP结构研究提供了重要的技术指引。
此外，研究还推测mRNA-free LNPs因其核心更致密，在酸性环境下可能更容易与内体膜融合，有助于mRNA释放，间接提升mRNA-loaded LNPs的转染效率。另一方面，mRNA-loaded LNPs的高含水量则可能带来更高的冷冻损伤风险和水解风险，提示储存和稳定性策略需加以优化，如采用冷冻干燥。
总的来讲，这项工作通过构建mRNA-free与mRNA-loaded LNPs的独立结构模型，不仅纠正了此前结构研究中的关键偏差，还为今后mRNA疫苗、RNA药物及载体开发提供了准确、高分辨率的结构基础，并为质量控制和工艺优化提供了可量化的参数支撑。