Adv Mater丨開發(fā)短程力調(diào)控mRNA組裝-釋放平衡LNP新方法

mRNA技術(shù)作為生物醫(yī)藥領(lǐng)域的革命性突破，在疫苗開發(fā)、腫瘤治療和基因編輯等方面展現(xiàn)出巨大潛力。多種組分組裝的 脂質(zhì)納米顆粒（LNPs） 已經(jīng)成為mRNA的主要的遞送載體。

然而，脂質(zhì)納米顆粒（LNP）遞送信使 RNA（mRNA）的一個 關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于穩(wěn)定封裝與高效細胞內(nèi)釋放之間的權(quán)衡 ：可電離脂質(zhì)是LNP的功能核心，它通過靜電作用與mRNA結(jié)合。然而，這種長程庫侖力是一把“ 雙刃劍 ”：在酸性條件下，它能夠穩(wěn)定封裝mRNA；但在生理條件下， 過強的靜電吸附反而會阻礙mRNA釋放 ， 降低蛋白表達效率。研究表明，即使是較小的siRNA（約20 nt），也只有1-2%能夠到達細胞質(zhì)。對于更大的mRNA（>4000 nt），這一挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻。

近日， 中國科學(xué)院過程工程研究所生物藥制備與遞送全國重點實驗室馬光輝院士團隊：夏宇飛研究員、黃簫喃研究員、任瑛研究員 在期刊Advanced Materials發(fā)表論文Resolving the mRNA Encapsulation-Release Trade-off via Compensatory Forces in Engineered Ionizable Lipids，團隊獨辟蹊徑，從分子間作用力的角度提出了創(chuàng)新解決方案。

研究團隊的核心思路是： 通過引入短程相互作用來補償長程庫侖力，實現(xiàn)封裝與釋放的動態(tài)平衡 。 團隊采用了分子動力學(xué)模擬與實驗干濕結(jié)合的工作流程，開發(fā)了一種“ 接觸數(shù) ”指標(biāo)來 評估可電離脂質(zhì)（IL）與 mRNA 的結(jié)合層次 。進一步有策略地將短程相互作用基團（如脲基、氨基甲酸酯）引入可電離脂質(zhì)（IL）結(jié)構(gòu)中，成功在mRNA與LNP之間引入“ 補償力 ”（范德華力或氫鍵等短程相互作用）。 利用短程相互作用的動態(tài)特性平衡長程庫侖力，確保mRNA的穩(wěn)定封裝的同時，促進mRNA的快速解離與胞質(zhì)釋放 。該遞送系統(tǒng)在生理模擬條件下表現(xiàn)出 更好的mRNA釋放動力學(xué) ，具有 更優(yōu)的mRNA表達效果 ，在黑色素瘤模型中實現(xiàn)了 高效的腫瘤抑制 ，同時在肝臟基因編輯應(yīng)用中達到了 與臨床基準(zhǔn)ALC0315-LNPs相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)甲狀腺素蛋白靶向編輯效率，和顯著更強的沉默效果 。

圖 1 破譯IL/mRNA相互作用，指導(dǎo)LNP理性設(shè)計

在本文中，為了量化可電離脂質(zhì)（IL）與mRNA之間的結(jié)合效率，研究團隊開發(fā)了一個集成粗 粒度分子動力學(xué)（CGMD） 和 全原子分子動力學(xué)（AAMD） 模擬的 計算-實驗框架 。建立了“ 接觸數(shù) ”指標(biāo)來解析mRNA與LNP的結(jié)合層次。通過這一方法，他們成功將短程相互作用基團（如脲基、氨基甲酸酯）引入可離子化脂質(zhì)結(jié)構(gòu)中。模擬結(jié)果顯示，含有脲基的GT30脂質(zhì)與mRNA的 接觸數(shù)比臨床基準(zhǔn)ALC0315高出7.6% ， 氫鍵數(shù)量更是達到2.5倍 。這些短程相互作用在酸性條件下與庫侖力協(xié)同作用，增強封裝穩(wěn)定性；在生理條件下則迅速主導(dǎo)，促進mRNA釋放。

圖 2 LNP分子動力學(xué)模擬，開發(fā)“接觸數(shù)”評價指標(biāo)

研究團隊設(shè)計合成了包含不同短程相互作用基團的ILs變體（GT30、GT35）。核磁共振分析顯示，GT30與mRNA混合后出現(xiàn)明顯低場位移（δ≈1.35 ppm），表明脲基增強了氫鍵形成。相比之下，含醚鍵的GT35位移較小（δ≈1.24 ppm），相互作用較弱。納米流式檢測結(jié)果顯示：GT30形成的 空載LNP比例僅為2% ，而相比較GT35為10%，ALC0315為5.7%。原子力顯微鏡實驗進一步揭示了LNP內(nèi)部的力學(xué)特性。在探針穿刺和回撤過程中，GT30-LNPs表現(xiàn)出 更強的內(nèi)聚力 （0.086±0.009 nN）和更明顯的力波動，說明其結(jié)構(gòu)更加緊密有序。同步輻射光源小角X射線散射證實， GT30-LNPs具有 更緊湊的層 狀 結(jié)構(gòu) ， 散射強度更高，層間重復(fù)距離更小 （46 ? vs 52 ?）。特別是在40%脂質(zhì)比例下，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢更加明顯。這一策略實現(xiàn)的“ 智能釋放 ”特性。在模擬細胞質(zhì)條件下，GT30-LNPs（40%脂質(zhì)比例）在12小時內(nèi)表現(xiàn)出快速的mRNA釋放，而傳統(tǒng)配方釋放緩慢。 更好的釋放動力學(xué) 轉(zhuǎn)化為優(yōu)異的體內(nèi)表現(xiàn)。肌肉注射實驗顯示，GT30-LNPs產(chǎn)生的熒光素酶表達信號比基準(zhǔn)提高 1.8倍 。更重要的是， 增強的短程相互作用使得降低脂質(zhì)比例成為可能 ，這有助于減少潛在副作用。

團隊進一步設(shè)計了結(jié)構(gòu)獨特的OT系列脂質(zhì)，其中OT13專門引入 叔胺頭基 和 氫鍵供體脲基 ，在保持質(zhì)子化能力的同時增強短程相互作用。在 帶狀皰疹疫苗模型 中，OT13-LNPs表現(xiàn)出卓越性能：1）誘導(dǎo) 3.1倍 的gE抗原特異性IFN-γ+ T細胞；2）產(chǎn)生 2.9倍 的IL-2+ T細胞；3）CD8+ T細胞擴增顯著增強，效應(yīng)記憶T細胞增加 1.6倍 ；（相較OT01脂質(zhì)）在 黑色素瘤治療模型 中，結(jié)果更加驚人：OT13-LNPs使腫瘤 體積減少77.9% ， 中位生存期延長至38天 ，顯著優(yōu)于對照組。 這展示了該策略在腫瘤免疫治療中的巨大潛力 。

肝臟是許多遺傳性疾病的重要靶點。研究團隊通過靜脈注射評估了LNP的肝臟 表達能力。 熒光素酶表達實驗顯示，OT13-LNPs在肝臟中的表達強度是OT01-LNPs的 2.0倍 ， 與臨床基準(zhǔn)ALC0315相當(dāng) 。利用Cre-LoxP Ai9報告基因小鼠模型證實，OT13-LNPs能夠 高效轉(zhuǎn)染82.1%的肝血竇內(nèi)皮細胞、29.7%的肝細胞和93.8%的Kupffer細胞 。

在CRISPR-Cas9基因編輯實驗中，OT13-LNPs在 0.5 mg/kg劑量 下實現(xiàn)了 與ALC0315相當(dāng)?shù)腡TR基因編輯效率 ，但血清TTR蛋白水平降低超過 90% ， 顯著優(yōu)于ALC0315-LNPs（約58%） 。

總結(jié)

這項研究的創(chuàng)新之處在于 從根本作用力層面重新思考了LNP設(shè)計原則 。團隊通過系統(tǒng)實驗闡明了補償作用力的工作機制：在低pH值（封裝階段）：庫侖力驅(qū)動mRNA復(fù)合，同時短程相互作用占據(jù)相鄰結(jié)合位點，協(xié)同增強縮合穩(wěn)定性；在生理pH值（釋放階段）：去質(zhì)子化減弱靜電作用，短程相互作用的瞬時特性迅速破壞復(fù)合物凝聚力，促進mRNA解離和釋放。這種動態(tài)平衡使得工程化LNP能夠在不同生理環(huán)境下自動調(diào)整其結(jié)合特性，實現(xiàn)“ 在正確的時間做正確的事 ”。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202512235

制版人：十一

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