核酸脂质纳米粒科普——粒径、PDI

锘海生命科学

2023.4.20

作者锘海生命科学

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微流控技术是目前制备脂质纳米粒（Lipid nanoparticle，LNP）最先进的技术，越来越多的企业、高校研究所，开始使用微流控技术开展脂质纳米粒的研发与生产。微流控技术是通过微流控设备，使两相液体在微流控芯片中，以层流的形式在相界面快速发生自组装反应，制备脂质纳米粒，用于递送核酸、小分子、多肽、蛋白等活性成分。粒径和PDI是评价其制备效果的重要指标，本文将为大家介绍脂质纳米粒粒径和PDI的测定方法，并通过具体的应用案例，展示粒径和PDI对于评价脂质纳米粒制备效果的重要意义。

图1 微流控技术原理

粒径和PDI的测量方法

粒径是表征颗粒大小的参数，常用于测定脂质纳米粒粒径的方法为动态光散射法（Dynamic light scattering，DLS）。动态光散射的原理是基于颗粒对光的散射。悬浮于液体中的脂质纳米粒，并不是静止的，由于分子的随机碰撞，脂质纳米粒不停地进行布朗运动。当激光照射脂质纳米粒时，布朗运动会导致颗粒对光的散射强度随时间涨落。颗粒越小，扩散或运动速度越快，散射光涨落越快，反之亦然。布朗运动的速率可以量化为平移扩散系数，通常用大写字母D表示。粒径与扩散系数的关系可以用斯托克斯-爱因斯坦方程（Stokes-Einstein equation）表示:

DLS测量的是脂质纳米粒的流体力学粒径（Hydrodynamic diameter，D_H），指的是与被测颗粒有相同扩散速率的球体直径。这个球体包括核心颗粒和任何与它表面相结合的物质，如任何的离子、吸附的聚合物等。

图2 流体力学直径示意图

利用DLS，我们可以快速测量样品中所有颗粒的粒径，得到基于光强的粒度分布曲线，显示样本中每个粒径的脂质纳米粒群体的散射光强度占比，也可以转换为基于体积或基于个数的粒径分布。同时，可以得到脂质纳米粒样本的平均粒径（Z-Average）、多分散系数（Polydispersity index，PDI or PI）。PDI是反映粒径分布宽度的无量纲数值，范围为0~1之间，数值越小，代表粒度越均匀，粒度分布越集中。

通过铭汰微流控纳米药物制备系统合成的脂质纳米粒，根据配方及包裹活性成分的不同，粒径通常为40-500 nm，PDI通常0.3以下，对于成熟的配方，PDI在0.1以下。如图2所示，使用铭汰MicroFlow S微流控纳米药物制备系统，FlowOrigin M试剂盒包封mRNA，制备的核酸脂质纳米粒，利用DLS纳米粒度仪测量的结果。从结果可以看出粒径分布曲线为单峰且分布非常集中，Z-Average为83.45 nm， PDI为0.032，合成效果非常好。

图3 核酸脂质纳米粒的DLS检测结果

粒径及PDI评价脂质纳米粒制备效果的应用举例

2.1 通过粒径和PDI评估不同配方的合成效果

使用铭汰MicroFlow S微流控纳米药物制备系统，分别按照Onpattro、Pfizer-BioNtech、Moderna三家经典配方以及铭汰FlowOrigin M试剂盒，合成mRNA-LNP，粒径及PDI的结果如图3所示。可以看出四家配方合成的该核酸脂质纳米粒粒径均为75 nm左右，PDI均为0.1以下，说明四家配方使用铭汰的微流控纳米药物制备系统均能获得非常好的合成效果。

图4 不同配方使用MicroFlow S合成mRNA-LNP的结果对比

2.2通过粒径和PDI评价微流控芯片的重复使用效果

采用相同配方，使用同一个微流控FlowTech S芯片，重复合成12次脂质纳米粒的粒径及PDI结果对比，如图4所示。可以看出，12次合成的脂质纳米颗粒粒径均为80nm左右，PDI为0.1以下，说明铭汰微流控芯片重复使用12次，仍然可以达到非常好的制备结果。

图5 同一微流控芯片重复合成12次结果对比

2.3 通过粒径和PDI评价设备放大合成效果

通过粒径、PDI，还可以比较不同设备的合成效果。图5为使用相同的配方，分别使用铭汰小小试MicroFlow T、小试MicroFlow S以及中试MicroFlow M合成的脂质纳米粒粒径和PDI的对比，粒径均为85 nm左右，PDI均为0.15以下，说明铭汰微流控纳米药物制备系统的系列产品，具有一致性的制备效果。