mRNA-LNP制劑中緩沖體系的篩選與評(píng)估

上周，艾偉拓產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)分享了非脂質(zhì)藥用輔料對(duì)mRNA-LNP制劑穩(wěn)定性的影響。（參考閱讀：《非脂質(zhì)藥用輔料對(duì)mRNA-LNP穩(wěn)定性的影響及篩選考量》

本周，我們接著這個(gè)話題，通過一篇美國俄勒岡州立大學(xué)藥學(xué)院的研究論文，進(jìn)一步討論緩沖體系對(duì)mRNA-LNP的影響，供大家參考
 

摘 要

該研究測(cè)試了三種常見生物緩沖液——HEPES、Tris和PBS——在單次凍融前后與DLin-MC3-DMA mRNA-LNP制劑的相容性。通過電子顯微鏡、差示掃描量熱法和膜流動(dòng)性分析發(fā)現(xiàn)，不同緩沖液使LNP形態(tài)發(fā)生了不同的結(jié)構(gòu)變化。采用體外和體內(nèi)模型測(cè)量mRNA轉(zhuǎn)染效率，發(fā)現(xiàn)Tris或HEPES緩沖液中的LNPs具有更好的冷凍保護(hù)效果以及與PBS相比更高的轉(zhuǎn)染效率

1、緩沖體系可能對(duì)LNP的性質(zhì)與穩(wěn)定性有較大影響

近年來，脂質(zhì)納米顆粒(LNPs)作為treat多種遺傳疾病、疫苗和蛋白質(zhì)替代療法的非病毒核酸遞送平臺(tái)受到了wide—range關(guān)注。COVID-19mRNA-LNP疫苗的全球成功凸顯了基于LNP的核酸遞送潛力。

LNP配方的優(yōu)化取決于混合方法，速率，使用的溶劑，pH值中和和純化過程。

雖然LNPs通常被認(rèn)為是凝聚態(tài)疏水材料，但它們可以捕獲大量的水，這取決于LNP的組分和其包載的mRNA分子。mRNA-LNPs水分含量可以高達(dá)30%，這表明LNP制劑中緩沖體系的選擇可能會(huì)對(duì)LNP的形成、性質(zhì)和穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大影響，尤其是考慮到mRNA-LNPs溶液需要在零度以下的溫度下長期儲(chǔ)存的情況。

緩沖液在冷凍時(shí)的結(jié)晶會(huì)嚴(yán)重影響生物制劑的性質(zhì)，并會(huì)導(dǎo)致LNP破裂和聚集，這在most近的報(bào)道中得到了證實(shí)。此外，緩沖液在凍結(jié)時(shí)的一個(gè)特殊性質(zhì)是誘導(dǎo)產(chǎn)生pH梯度。例如，常用的磷酸緩沖鹽溶液(PBS)在冷凍時(shí)可以經(jīng)歷多達(dá)4個(gè)單位的pH變化。常見的糖類冷凍保護(hù)劑如海藻糖、蔗糖等可以一定程度上抑制這些影響，但無法完全消除。

據(jù)報(bào)道，磷脂頭部基團(tuán)也會(huì)與緩沖體系相互作用，導(dǎo)致脂質(zhì)膜軟化。因此，LNPs可能高度敏感于pH和膜彈性的動(dòng)態(tài)變化，如緩沖體系類別、離子強(qiáng)度或溫度變化。

2、該研究中LNP配方及表征方法

將螢火蟲熒光素酶(FLuc) mRNA用50 mM檸檬酸鈉緩沖液(pH 4)和分子級(jí)水稀釋，達(dá)到所需體積。將DLin-MC3-DMA、DSPC、膽固醇和DMG-PEG-2000溶解在總脂質(zhì)濃度為5.5 mM的純乙醇(摩爾比為50:10:38:1.5)中，以3:1的體積比(水/乙醇)和9 mL/min的總流速通過標(biāo)準(zhǔn)微流控混合制備LNPs。

制備用于透析的HEPES、Tris和PBS（詳見下圖a，Tris即為Tris Buffer，HBS即為HEPES Buffer），其鹽度為150 mM, pH為7.4。配制后，立即將LNPs轉(zhuǎn)移到10個(gè)kDa MWCO盒中，并在各自的緩沖液中以1000倍的體積透析4小時(shí)和過夜。透析后，LNPs在Amicon Ultra離心過濾裝置中以3000g離心濃縮，分子量截止為100 kDa(Millipore Sigma, Burlington, MA)。

使用Zetasizer Nano ZSP對(duì)LNPs進(jìn)行了水動(dòng)力尺寸、多分散性指數(shù)和表面zeta電位的表征。對(duì)于Zetasizer分析，LNPs在各自的緩沖液中稀釋，得到三次測(cè)量結(jié)果。為了量化mRNA的包封效率和濃度，采用了改進(jìn)的Quanti-iT RiboGreen RNA(Invitrogen)方案。

3、研究成果

3.1 緩沖液對(duì)LNP的形成和短期穩(wěn)定性的影響可以忽略不計(jì)

通過標(biāo)準(zhǔn)的微流體混合程序制備含有FLuc mRNA的LNP。DLin-MC3-DMA、DSPC、膽固醇和DMG-PEG-2000脂質(zhì)按50:10:38.5:1.5摩爾比混合，pH 4檸檬酸緩沖液中的mRNA溶液與乙醇脂質(zhì)混合物的體積比為3:1，總流速為9 mL/min。然后將所得的LNP懸浮液分成三等份，分別與PBS、Tris或HEPES進(jìn)行透析。

透析后，將LNPs濃縮，并通過動(dòng)態(tài)光散射(DLS)和改進(jìn)的核糖綠測(cè)定法進(jìn)行分析。

DLS分析顯示，三種緩沖液中LNPs顆粒大小幾乎相同，約為70 nm，PDI約為0.05。

Zeta電位值表明，PBS和Tris配方的表面電荷略為負(fù)(約−3mV)，HEPES配方的表面電荷為中性，三種緩沖液中包封率均為>92%。

LNP的冷凍透射電鏡顯微照片也沒有顯示任何outstanding的形態(tài)變化，這表明緩沖液對(duì)LNP的形成、形態(tài)或短期穩(wěn)定性的影響可以忽略不計(jì)。

3.2 低溫凍存復(fù)溶后，不同緩沖液中LNP關(guān)鍵表征出現(xiàn)差異

在- 20℃下保存三周后，將不同緩沖溶液中的LNPs在室溫下解凍30分鐘，立即用于研究。

①粒徑
儲(chǔ)存在HEPES和PBS中的樣品在FT后的平均粒徑增大了約50%，而儲(chǔ)存在Tris中的LNPs的粒徑減小了約10 nm。

②PDI
HEPES和Tris中LNPs的PDI在凍融前后基本保持一致，而PBS中LNPs在解凍后PDI增加了3倍（上圖b）。FT后Zeta電位也略有下降（上圖d）。

③LNP形態(tài)
LNP形態(tài)受到凍融的嚴(yán)重影響，冷凍透射電鏡證實(shí)PBS緩沖液中的 LNP在大小上most多樣化，并且顯示出高度異質(zhì)性的內(nèi)部組織，以及顆粒聚集。這可能是脂質(zhì)相和水相分離所導(dǎo)致。具體而言，PBS中的LNP包含典型的100 nm以下的致密LNPs，100~150nm的空脂質(zhì)體樣結(jié)構(gòu)，以及不同粒徑包載水相的LNPs，其中部分水相中含有mRNA。

DLS分析顯示，Tris中的LNPs盡管觀察到形態(tài)變化，但尺寸和PDI沒有明顯變化，這表明相比于PBS，Tris可能可以更大程度地抑制LNPs顆粒的聚集。

與新鮮LNPs相比，HEPES中的LNPs在凍融后出現(xiàn)獨(dú)特的沙漏狀結(jié)構(gòu)，尺寸略大(見下圖e)。在LNPs周圍形成的水泡似乎缺乏mRNA，這可能表明HEPES可以影響mRNA周圍脂質(zhì)的堆積，例如，HEPES可以促進(jìn)脂質(zhì)與mRNA之間更強(qiáng)的靜電相互作用——HEPES LNPs的zeta電位是真正的中性的，而PBS和Tris LNPs具有−2至−5 mV的輕微負(fù)電荷，這可能表明當(dāng)HEPES存在時(shí)，mRNA電荷的中和作用更有效。

此外，基于冷凍顯微圖像研究了脂質(zhì)膜厚度的變化。平均而言，脂膜厚度在FT后增加了15%，表明膜水合作用增加。

更具體地說，冷凍后，Tris LNPs的脂膜厚度增加了約0.8 nm, PBS增加了約0.6 nm, HEPES LNPs增加了約0.2 nm。尚不完全清楚這些改變是否表明脂質(zhì)膜成分發(fā)生變化或onlyonly是水摻入的結(jié)果，但這些結(jié)果突出了解凍后LNPs的脂質(zhì)膜發(fā)生了outstanding變化，且不同緩沖體系中變化程度不同。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同緩沖液對(duì)mRNA-LNPs的關(guān)鍵表征（形態(tài)、粒徑、PDI，脂質(zhì)膜厚度等）可以產(chǎn)生較大影響。

3.3 轉(zhuǎn)染能力與內(nèi)涵體逃逸的體外評(píng)估

①緩沖液影響LNP轉(zhuǎn)染能力
該研究評(píng)估了不同緩沖液中的LNPs的轉(zhuǎn)染能力和內(nèi)涵體逃逸的程度。分別用包封FLuc mRNA的LNPs處理hela和HEK293T/17(后者用Gal9-GFP報(bào)告系統(tǒng)修飾)兩個(gè)細(xì)胞系，并在24小時(shí)后檢測(cè)。無論使用何種緩沖液，細(xì)胞存活率均保持在80%(下圖a,c)。轉(zhuǎn)染評(píng)價(jià)表明，緩沖液的轉(zhuǎn)染效率隨細(xì)胞系的不同而變化。在HeLa細(xì)胞中，LNPs轉(zhuǎn)染趨勢(shì)為HEPES＞PBS>Tris(下圖b)，而HEK293T/17細(xì)胞表現(xiàn)出Tris>HEPES>PBS的偏好(下圖d)。

一般來說，所有的mRNA-LNP制劑在解凍后轉(zhuǎn)染效果都有所下降。在HeLa細(xì)胞中，PBS LNPs的轉(zhuǎn)染效率下降most為嚴(yán)重，在所有處理中平均下降4倍，而HEPES在所有處理中平均下降2倍(下圖b)。對(duì)于HEK293T/17細(xì)胞系, HEPES和PBS LNPs均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的下降，而Tris在100和200 ng時(shí)的LNPs分別下降了2 ~ 2.5倍(下圖d)。

②緩沖液影響內(nèi)涵體逃逸效率
凝集素是一個(gè)與病原體入侵和免疫感知相關(guān)的糖結(jié)合凝集素家族。半乳糖凝集素如gal3、gal8和gal9從彌漫的細(xì)胞質(zhì)表達(dá)重新分布到暴露的糖苷位點(diǎn)，這是由于內(nèi)體內(nèi)小葉暴露事件造成的，表明內(nèi)涵體破壞。Gal9已被證明在報(bào)告細(xì)胞內(nèi)涵體逃逸的檢測(cè)中具有most高的信噪比。因此，可利用Galectin 9 (Gal9)- gfp 修飾的HEK293T/17細(xì)胞系，評(píng)估FLuc mRNA LNPs的內(nèi)涵體逃逸情況。

低劑量處理(50 ng)在所有新鮮LNPs中幾乎沒有變化，HEPES LNPs在FT后表現(xiàn)出most高的Gal9募集和mostoutstanding的變化(2.6倍)。

高劑量(200ng)處理組中，冷凍前Tris LNPs誘導(dǎo)了most高的Gal9募集。不同緩沖體系中的LNP對(duì)FT的反應(yīng)完全不同。PBS LNP減少了Gal9的招募，Tris LNPs幾乎沒有變化，HEPES LNPs增加了Gal9的招募。解凍后的HEPES LNPs內(nèi)涵體逃逸的增加可能是低溫透射電鏡觀察到的形態(tài)學(xué)變化的結(jié)果。LNP形態(tài)的變化導(dǎo)致體外轉(zhuǎn)染的增加，因此HEPES可能促進(jìn)了解凍后LNP形態(tài)的有利變化。

這些體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步支持了LNP緩沖液組成對(duì)凍融后轉(zhuǎn)染效率的重要性，并揭示了細(xì)胞攝取的差異受到這些變化的影響。

3.4 體內(nèi)成像評(píng)估m(xù)RNA表達(dá)情況

通過living body成像，探索了不同緩沖體系mRNA-LNP在體內(nèi)的表達(dá)情況。將HEPES、Tris和PBS LNPs靜脈注射到年齡匹配的雌性BALB/c小鼠中，比較熒光素酶的表達(dá)水平和apparatus特異性。在注射后4和24 h時(shí)間點(diǎn)測(cè)量新鮮和解凍的LNPs的生物發(fā)光信號(hào)。

在所有案例中，生物發(fā)光圖像顯示強(qiáng)烈的肝臟轉(zhuǎn)染模式，與通常的LNP靜脈注射制劑一致。

總體而言，HEK293T/17細(xì)胞系的體內(nèi)轉(zhuǎn)染趨勢(shì)與體外觀察到的相似(Tris > HEPES > PBS)。新鮮LNPs之間的交叉比較得出結(jié)論，與其他緩沖液相比，Tris組在給藥后4小時(shí)增加了2倍。這種功效的增強(qiáng)可能是由于脂質(zhì)膜上的水置換改善了apoe介導(dǎo)的攝取，正如脂質(zhì)膜厚度減少所表明的那樣。

然而，緩沖液導(dǎo)致了不同程度的轉(zhuǎn)染損失。對(duì)于給藥后4小時(shí)的FT組，HEPES顯示總通量減少約2倍，Tris顯示減少約3倍，PBS (LNP配方中most常見的緩沖液)導(dǎo)致總通量減少近9倍。

有趣的是，在24小時(shí)時(shí)間點(diǎn)，不同緩沖液樣品之間mRNA表達(dá)水平?jīng)]有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的outstanding差異。這可能是LNPs在血液中不斷循環(huán)，緩沖液作用減弱的結(jié)果。

總的來說，與先前的觀察結(jié)果一致，mRNA的傳遞受到凍融過程的影響。緩沖液對(duì)體內(nèi)給藥效果的巨大影響表明，在LNP制備中選擇適宜的生物緩沖液，或可為保持mRNA-LNP的理化性質(zhì)及生物學(xué)活性提供outstanding優(yōu)勢(shì)。

4、結(jié)論

脂質(zhì)納米顆粒（LNP）通常通過透析或與生理緩沖液(如PBS)交換緩沖液來中和，純化后可直接注射入生物體。此外，緩沖體系可以作為冷凍保護(hù)劑，減輕LNP制劑在低溫儲(chǔ)存時(shí)的穩(wěn)定性問題。

值得注意的是，F(xiàn)DA批準(zhǔn)的COVID-19疫苗Spikevax和Comirnaty使用不同的緩沖液，這表明不同的mRNA-LNP制劑可能對(duì)緩沖體系有不同的要求。（筆者注：Comirnaty上市后制劑prescription中緩沖體系由PBS變更為了Tris，詳細(xì)信息請(qǐng)參考：《Moderna：使用TRIS緩沖體系可提高mRNA穩(wěn)定性》）

因此，為LNP制劑篩選適宜的緩沖體系是一個(gè)極具價(jià)值的研究課題。然而，緩沖體系對(duì)LNP的結(jié)構(gòu)形態(tài)、包封率和轉(zhuǎn)染效率方面的作用迄今尚未得到充分研究。

本文分享的研究中，使用常用陽離子脂質(zhì)DLin-MC3-DMA制備mRNA-LNP，在-20℃低溫冷凍3周，比較了LNP凍存前后的理化性質(zhì)和生物學(xué)活性（體外+體內(nèi)）。

結(jié)果表明，通過體外和體內(nèi)轉(zhuǎn)染衡量，在HEPES和Tris體系中的LNPs總體上優(yōu)于PBS。與PBS相比，HEPES和Tris作為冷凍保護(hù)劑，可以在更大程度上保存LNPs的結(jié)構(gòu)和mRNA的遞送效率。

此外，儲(chǔ)存在HEPES中的LNPs在FT循環(huán)后形成了獨(dú)特的沙漏狀結(jié)構(gòu)，而Tris和PBS在凍融后都產(chǎn)生了高度聚集的結(jié)構(gòu)。因此，HEPES可以為LNPs提供更好的保護(hù)，防止pH梯度急劇下降，防止LNP聚集，most終控制相分離過程。另一方面，使用Tris對(duì)轉(zhuǎn)染特別有益，這表明緩沖鹽等輔料在LNP制劑中的作用可能被much低估了。

通過分享該研究，艾偉拓產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)希望揭示LNP制劑prescription研發(fā)過程中，緩沖體系選擇的重要性，希望能夠?yàn)閺V大核酸遞送企業(yè)及相關(guān)從業(yè)者帶來一定的參考。

未來，艾偉拓產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)也會(huì)持續(xù)關(guān)注核酸遞送制劑prescription相關(guān)研究進(jìn)展，包括不同劑型（如凍干劑型）、不同存儲(chǔ)條件（如2~8℃冷藏存儲(chǔ)）、不同LNP脂質(zhì)組分及不同載荷等因素對(duì)LNP制劑輔料選擇的影響。

下一期，艾偉拓產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)將為您帶來《冷凍或凍干導(dǎo)致pH值變化及對(duì)應(yīng)緩沖體系篩選考量》，敬請(qǐng)期待！

如需了解更多相關(guān)信息，您也可以與所在區(qū)域艾偉拓銷售人員聯(lián)系，或掃描下圖中的二維碼聯(lián)系我們，預(yù)約艾偉拓產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)的專場報(bào)告！
 

艾偉拓近20年來始終專注于high-end注射級(jí)輔料，長期穩(wěn)定供應(yīng)注射級(jí)TRIS/TRIS-HCl、HEPES等生物緩沖體系，具有GMP條件生產(chǎn)，中美雙報(bào)，供注射用，ultralow內(nèi)TOXIN，DNase& RNase free，符合國際主流藥典標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)貨快速供應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，助力mRNA疫苗等核酸制劑的研發(fā)生產(chǎn)與中外申報(bào)！