《mRNA-LNP疫苗的結構與穩定性》文獻解讀系列三

文章來源:AVT發布時間:2021-08-31瀏覽次數:

LNPs 作為遞送系統


為了克服裸露的mRNA轉染的種種問題,已經開發了保護性遞送系統。目前的mRNA疫苗(表 1)都在使用 LNP 技術。這說明了使用LNP能在穩定mRNA 的同時并將其遞送到細胞中。mRNA疫苗中的LNP 由四種主要成分組成(見表1):中性磷脂、膽固醇、聚乙二醇 (PEG) 脂質和可電離脂質??呻婋x脂質含有帶正電荷的可電離胺基團(在低 pH 條件下電離),可在顆粒形成過程中與陰離子mRNA 相互作用,并在細胞攝取過程中促進膜融合。此外,PEG化脂質用于控制粒徑并充當空間屏障起穩定作用,防止儲存過程LNP微粒聚集。通過使用微流控混合生產技術,這些脂質成分與 mRNA 一起形成大小約為 60-100 nm 的顆粒。例如,SARS-CoV-2 候選疫苗nCoVsaRNA和ARCoV的平均粒徑分別為75 nm和89 nm。


表一:

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LNPs與脂質體的不同之處在于微粒中存在脂質,來自幾項研究的數據表明水也存在于微粒內部某些空間。這意味著mRNA即使被包封也可能暴露于水性環境中。這種類型的內部結構,先前已在未包載和包載siRNA的LNP中被冷凍電鏡所觀察到。類似地,mRNA-LNPs 的冷凍電鏡結果也顯示了電子致密核,勞氏紫(Thionine)對RNA進行染色用于冷凍電鏡對比度增強(見圖2)。


盡管mRNA-LNP 的共同特征是脂質,但該的確切結構特征及其對脂質成分(摩爾比)和 mRNA 定位的依賴性仍存在爭議(見圖3)。正如 RiboGreen檢測實驗所確定的那樣,mRNA 肯定位于 LNP 內部。RiboGreen 是一種染料,當與單鏈 mRNA 結合時會顯示熒光,但不能進入 LNP。在 mRNA-LNP 制劑中,例如mRNA 疫苗的制劑,可與RiboGreen結合產生熒光的mRNA 比例非常低,因此,采用RiboGreen來測定的包封率通常 > 90%。綜上所述,冷凍電鏡(圖2) 和包封率證據表明,mRNA-LNPs形成納米粒子,其中包封了 mRNA,可免受外部介質的影響,LNPs包封的mRNA的結構有3種模型,這些主要來源于siRNA-LNPs分析(圖3)。

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圖2 mRNA-LNP 的冷凍電鏡圖像顯示具有明顯不同電子密度的“囊泡”結構

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圖3 siRNA-LNP 和 mRNA-LNP 結構的推測模型的示意圖 A:多層囊泡;B:納米結構核;C:均質核殼


mRNA疫苗所包封的mRNA會影響終LNP的結構:siRNA 在結構和分子量大小上與 mRNA 有很大不同(表 2)并且N/P(可電離的陽離子脂質與核苷酸磷酸鹽)摩爾比不同,N/P摩爾比分別為3和6(表 1)。mRNA 至少比 siRNA 大 100 倍,這會影響 LNP 的結構。此外,有跡象表明 mRNA 位于 LNP 的核,而siRNA 更靠近表面,mRNA 可以形成“囊泡”(圖 2)。LNP 囊泡部分的組成是一個有爭議的問題,在這種狀態時:“mRNA 可以從帶電的脂質中解離,留在充滿溶劑的囊泡隔室中”。


表2  mRNA 和siRNA分子之間的差異

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mRNA-LNP不太可能是(圖 3A)的多層囊泡模型。它與mRNA-LNP的 TEM結果中電子致密核位置不對應。目前,大多數研究人員認為 mRNA-LNP 貼近核殼模型(圖3 B和C),這意味著納米顆粒具有表面層和無定形的各向同性核。Viger-Gravel等,使用核磁共振光譜證明LNP結構的兩種類型的核是可能的。


他們描述了一個被陽離子脂質包圍(圖3B)的包含水孔的無定形核模型。他們還假設核中的脂質可以均勻分散,中間有“小水球”(圖 3C)。后者(圖3B和C)跟siRNA-LNPs和mRNA-LNPs在實驗觀察到的結果更吻合。


Arteta等人,使用冷凍電鏡、小角 X 射線散射 (SAXS) 和小角度中子散射 (SANS) 測量 mRNA-LNP 結構模型。他們發現DSPC和PEG化脂質以及部分可電離的陽離子脂質和膽固醇是位于LNP 的表面,可電離的陽離子脂質、膽固醇(取決于其濃度)、水和 mRNA 的主要部分分布在核內部。有趣的是,他們的研究表明,各向同性LNP 核由24%(體積分數)的水組成。他們指出 mRNA 位于水柱內,水柱被陽離子脂質包圍(如圖4所示)。這意味著 mRNA 至少部分暴露于LNP 內部的水中,這可能導致mRNA在非冷凍條件下儲存時不穩定,Sebastiani等人也報道了類似的結果。


因此,研究 mRNA 如何與 LNP 中的水和可電離的陽離子脂質相互作用是一件很有趣的事。mRNA 是親水的,它可以通過靜電和氫鍵與可電離的陽離子脂質相互作用(通常表觀pKa < 6.5)。這取決于 LNP 內部的pH值,如果 LNP 外殼對質子具有滲透性——這很可能,因為 2-(對甲苯胺基)-6-萘磺酸 (TNS) 和勞氏紫等離子化染料可以進入 LNP 核,那么LNP內部的pH值與制劑的其余部分應該相似,約為7 到 8,這意味著大多數可電離的陽離子脂質將不帶電。


然而,由于可電離的陽離子脂質堆積在核中,它們可能表現出聚電解質行為,導致 Henderson-Hasselbalch 方程的偏差,即滴定曲線的“拖尾”(脂質膜內的可電離脂質的表觀pKa可能與實際值有較大偏差,這意味著pKa為6.5左右的可電離脂質在脂質膜內的表觀pKa可能與理論值有1~2個pKa單位的偏差,所以pKa為6.5左右的可電離脂質在pH值為7-8之間的脂膜內時,依然有可能絕大部分呈現帶正電的狀態,注:紅色斜體部分是對一些較復雜概念的進一步解讀,后同)。此外,mRNA 和可電離的陽離子脂質之間的相互作用可能會影響電離行為。


對于 siRNA,發現與可電離陽離子脂質存在較弱的靜電相互作用,這表明至少對于 siRNA-LNP 制劑,內部的pH值接近或等于外部的pH值。對于 mRNA-LNP,尚未進行此類實驗研究。mRNA 和陽離子脂質復合的分子動力學模擬研究證明了脂質-脂質簇和脂質-mRNA 簇的形成。靜電力和氫鍵都在驅動陽離子脂質和 mRNA 的相互作用。

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圖4 mRNA-LNPs核中mRNA-水柱的示意圖


Arteta 等人的另一個有趣發現是他們的mRNA-LNP 的外殼是單層的。其他研究人員根據冷凍電鏡(圖 2)或 SANS結果分析提出,mRNA-LNPs 的外殼由一個或多個雙層組成。這些相互矛盾的發現表明,使用這些技術評估mRNA-LNP 殼的性質是困難的,可能存在多種類型的mRNA-LNP 結構,其結構取決于脂質的性質和mRNA-LNP 的制備方法。反過來,不同的結構可能會對不同配方的穩定性產生影響??傊?,問題仍然在于目前我們尚不清楚 mRNA-LNP 的結構以及包封的mRNA 與各種脂質成分之間的相互作用。


對各種 mRNA疫苗成分的分析表明,它們具有共同特征,但也存在差異(表 1)。LNP 配方、修飾核苷的使用、高GC含量以及常規 mRNA 和 SAM 疫苗之間的長度差異可能會影響這些 mRNA疫苗在儲存過程中的物理和化學穩定性。


1、中文名稱:DLin-MC3-DMA

2、商品名:DLin-MC3-DMA

3、化學名稱:4-(N,N-二甲基氨基)丁酸(二亞油基)甲酯

(6Z,9Z,28Z,31Z)-heptatriacont-6,9,28,31-tetraene-19-yl 4-(dimethylamino)butanoate

4、分子式:C43H79NO2

5、生產商/manufacturer艾偉拓(上海)醫藥科技有限公司/ AVT (Shanghai) Pharmaceutical Tech Co,. Ltd.

6、CAS號:1224606-06-7

7、用途:陽離子脂質體

8、結構式:      陽離子脂質材料Dlin-MC3-DMA丨CAS號1224606-06-7-艾偉拓(上海)醫藥科技有限公司

9、性狀:無色至淡黃色油狀液體

10、純度:98%

11、溶解性:不溶于水,易溶于DMSO、甲醇、乙醇。

12、分子量:642.09

13、保存條件:-20℃

14、注意事項:避免與強酸、強堿、強氧化性物質接觸

15、貨號:002006



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