mRNA-LNP的结构到底是怎样的？

锘海生命科学

2021.7.21

作者锘海生命科学

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mRNA-LNP无疑是近两年最火热的研究热点，随着新冠疫情的不断肆虐，几款采用了mRNA-LNP的新冠疫苗陆续上市，使人们对这一具有广泛应用前景的技术愈发重视。那么对于一个制备良好的mRNA-LNP，其内部分子组成结构到底是怎样的呢？今天小编就通过相关研究带大家一起探索其组成结构。

首先，目前普遍采用的mRNA-LNP处方多是通过由阳离子磷脂、DSPC（二硬脂酰磷脂酰胆碱）、胆固醇、DMPE-PEG2000（磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000）构建的LNP来实现对mRNA分子的包载。几种磷脂分子发挥各自的功效将mRNA分子包裹在内部形成一个球形的脂质纳米粒，而且通过处方的调整，也可以实现粒径大小不同的LNP制备，详见图1电镜图。

图1. LNP的冷冻透射电镜图，a、b、c分别为粒径大小在48nm、64nm、100nm左右的LNP

随后采用小角中子散射技术来进一步研究LNP上的磷脂分子分布情况，利用氘化的DSPC和胆固醇进行LNP的制备，并分别在不同比例下的D₂O/H₂O缓冲液中检测其散射信号。结果如图2A，散射信号只在缓冲液中D₂O较低时检测到，即在q ∼ 1 nm⁻¹处有一明显的峰。而DSPC的散射长度密度（SLD）和其他磷脂材料有最大的区别，这些散射曲线都与之前报道过的核-壳结构体系的小角散射的结果相似，而且图中的数据拟合与一核两层壳的结构最为吻合。图2B中的散射长度密度数据则可代表LNP外壳到中心的距离，图2C则是根据散射结果分析后得到的LNP结构的模型示意图。在此模型中，我们认为LNP的核由阳离子磷脂、胆固醇、mRNA和水组成，在此核的外部是一层2.4 nm厚的由DSPC，少部分的阳离子磷脂、胆固醇以及PEG磷脂中的DMPE端组成的单层壳。再向外则是一层约4 nm厚的PEG磷脂壳。

图2. (A)不同D₂O含量下的LNP小角中子散射结果，从上至下分别为18%、27%、50%、68%、100%的D₂O。(B) SLD曲线作为LNP中心距离的函数，与A中数据的拟合相对应。(C) 根据SLD数据描绘的LNP中脂质分布示意图

同时，根据LNP主要成分的SLD数据，详见表1，可以详细验证LNP系统的组成。溶剂的SLD由H₂O/D₂O的比例给出，PEG层的SLD随着它延伸到溶剂中而变化。在LNP中，内核的SLD是恒定的，但随着D₂O含量的变化而变化。mRNA的SLD也随着D₂O体积分数的增加而增加，因为它含有可以交换为氘的不稳定氢。利用拟合的内核SLD值作为D₂O含量的函数，以及LNP组分已知的SLD值(表1)与建立的脂质:mRNA摩尔比，根据以下公式可以计算LNP中的水含量。其中V是各成分的体积分数。

V_DLin-MC3-DMA · SLD_DLin-MC3-DMA + V_Chol · SLD_Chol+ V_H2O · SLD_H2O +V_RNA · SLD_RNA=SLDcore

脂质单层的SLD不依赖于溶剂而保持恒定，这证实了如预期的那样，该层中没有溶剂存在。由阳离子磷脂（DLin-MC3-DMA）、DSPC、胆固醇、PEG磷脂中的DMPE段包裹在核心外。

目前这一mRNA-LNP的结构也是目前比较公认的一种结构，但是通过相关研究可以进一步为我们提供强有力的科研依据。几种脂质成分不是均匀的随意分布在LNP上的，其结构信息也会给研究者们提供更多的灵感，以帮助他们设计研发更加合理有效的mRNA-LNP出来。

参考文献：

1. Zackrisson M, et al. (2005) Small-angle neutron scattering on a core-shell colloidal system: A contrast-variation study. Langmuir 21:10835–10845

2. Belliveau NM, et al. (2012) Microfluidic synthesis of highly potent limit-size lipid nanoparticles for in vivo delivery of siRNA. Mol Ther Nucleic Acids 1:e37.

3. Marianna YA, et al.（2018）Successful reprogramming of cellular protein production through mRNA delivered by functionalized lipid nanoparticles. PNAS 115: E3351–E3360

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