新冠疫苗中mRNA與LNP中水和可電離陽離子脂質(zhì)相互作用對其穩(wěn)定性影響

《mRNA-LNP新冠疫苗的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性》文獻(xiàn)解讀系列二

LNPs 作為遞送系統(tǒng)

為了克服裸露的mRNA轉(zhuǎn)染的種種問題，已經(jīng)開發(fā)了保護(hù)性遞送系統(tǒng)。目前，領(lǐng)先的mRNA新冠疫苗（表 1）都在使用 LNP 技術(shù)。這說明了使用LNP能在穩(wěn)定mRNA 的同時并將其遞送到細(xì)胞中。mRNA新冠疫苗中的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(zhì)和可電離脂質(zhì)。可電離脂質(zhì)含有帶正電荷的可電離胺基團(tuán)（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(xì)胞攝取過程中促進(jìn)膜融合。此外，PEG化脂質(zhì)用于控制粒徑并充當(dāng)空間屏障起穩(wěn)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(chǎn)技術(shù)，這些脂質(zhì)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：

LNPs與脂質(zhì)體的不同之處在于微粒核心中存在脂質(zhì)，來自幾項(xiàng)研究的數(shù)據(jù)表明水也存在于微粒內(nèi)部某些空間。這意味著mRNA即使被包封也可能暴露于水性環(huán)境中。這種類型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(jié)果也顯示了電子致密核，勞氏紫（Thionine）對RNA進(jìn)行染色用于冷凍電鏡對比度增強(qiáng)（見圖2）。

盡管mRNA-LNP 的共同特征是脂質(zhì)核心，但該核心的確切結(jié)構(gòu)特征及其對脂質(zhì)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(shí)驗(yàn)所確定的那樣，mRNA 肯定位于 LNP 內(nèi)部。RiboGreen 是一種染料，當(dāng)與單鏈 mRNA 結(jié)合時會顯示熒光，但不能進(jìn)入 LNP。在 mRNA-LNP 制劑中，例如mRNA 疫苗的制劑，可與RiboGreen結(jié)合產(chǎn)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(jù)表明，mRNA-LNPs形成納米粒子，其中包封了 mRNA，可免受外部介質(zhì)的影響，LNPs包封的mRNA的結(jié)構(gòu)有3種模型，這些主要來源于siRNA-LNPs分析（圖3）。

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(jié)構(gòu)

圖3 siRNA-LNP 和 mRNA-LNP 結(jié)構(gòu)的推測模型的示意圖 A：多層囊泡；B：納米結(jié)構(gòu)核心；C：均質(zhì)核殼

mRNA疫苗所包封的mRNA會影響最終LNP的結(jié)構(gòu)：siRNA 在結(jié)構(gòu)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(zhì)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，這會顯著影響 LNP 的結(jié)構(gòu)。此外，有跡象表明 mRNA 位于 LNP 的核心，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(tài)時：“mRNA 可以從帶電的脂質(zhì)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

mRNA-LNP不太可能是（圖 3A）的多層囊泡模型。它與mRNA-LNP的 TEM結(jié)果中電子致密核位置不對應(yīng)。目前，大多數(shù)研究人員認(rèn)為 mRNA-LNP 最貼近核殼模型（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心。Viger-Gravel等，使用核磁共振光譜證明LNP結(jié)構(gòu)的兩種類型的核心是可能的。

他們描述了一個被陽離子脂質(zhì)包圍（圖3B)的包含水孔的無定形核模型。他們還假設(shè)核心中的脂質(zhì)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(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)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(jié)構(gòu)模型。他們發(fā)現(xiàn)DSPC和PEG化脂質(zhì)以及部分可電離的陽離子脂質(zhì)和膽固醇是位于LNP 的表面，可電離的陽離子脂質(zhì)、膽固醇（取決于其濃度）、水和 mRNA 的主要部分分布在核心內(nèi)部。有趣的是，他們的研究表明，各向同性LNP 核心由24%（體積分?jǐn)?shù)）的水組成。他們指出 mRNA 位于水柱內(nèi)，水柱被陽離子脂質(zhì)包圍（如圖4所示）。這意味著 mRNA 至少部分暴露于LNP 內(nèi)部的水中，這可能導(dǎo)致mRNA在非冷凍條件下儲存時不穩(wěn)定，Sebastiani等人也報道了類似的結(jié)果。

因此，研究 mRNA 如何與 LNP 中的水和可電離的陽離子脂質(zhì)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(zhì)相互作用（通常表觀pKa < 6.5）。這取決于 LNP 內(nèi)部的pH值，如果 LNP 外殼對質(zhì)子具有滲透性——這很可能，因?yàn)?2-(對甲苯胺基)-6-萘磺酸 (TNS) 和勞氏紫等離子化染料可以進(jìn)入 LNP 核心，那么LNP內(nèi)部的pH值與制劑的其余部分應(yīng)該相似，約為7 到 8，這意味著大多數(shù)可電離的陽離子脂質(zhì)將不帶電。

然而，由于可電離的陽離子脂質(zhì)堆積在核心中，它們可能表現(xiàn)出聚電解質(zhì)行為，導(dǎo)致 Henderson-Hasselbalch 方程的偏差，即滴定曲線的“拖尾”（脂質(zhì)膜內(nèi)的可電離脂質(zhì)的表觀pKa可能與實(shí)際值有較大偏差，這意味著pKa為6.5左右的可電離脂質(zhì)在脂質(zhì)膜內(nèi)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(zhì)在pH值為7-8之間的脂膜內(nèi)時，依然有可能絕大部分呈現(xiàn)帶正電的狀態(tài)，注：紅色斜體部分是對一些較復(fù)雜概念的進(jìn)一步解讀，后同）。此外，mRNA 和可電離的陽離子脂質(zhì)之間的相互作用可能會影響電離行為。

對于 siRNA，發(fā)現(xiàn)與可電離陽離子脂質(zhì)僅存在較弱的靜電相互作用，這表明至少對于 siRNA-LNP 制劑，內(nèi)部的pH值接近或等于外部的pH值。對于 mRNA-LNP，尚未進(jìn)行此類實(shí)驗(yàn)研究。mRNA 和陽離子脂質(zhì)復(fù)合的分子動力學(xué)模擬研究證明了脂質(zhì)-脂質(zhì)簇和脂質(zhì)-mRNA 簇的形成。靜電力和氫鍵都在驅(qū)動陽離子脂質(zhì)和 mRNA 的相互作用。

圖4 mRNA-LNPs核心中mRNA-水柱的示意圖

Arteta 等人的另一個有趣發(fā)現(xiàn)是他們的mRNA-LNP 的外殼是單層的。其他研究人員根據(jù)冷凍電鏡（圖 2）或 SANS結(jié)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(fā)現(xiàn)表明，使用這些技術(shù)評估m(xù)RNA-LNP 殼的性質(zhì)是困難的，可能存在多種類型的mRNA-LNP 結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)取決于脂質(zhì)的性質(zhì)和mRNA-LNP 的制備方法。反過來，不同的結(jié)構(gòu)可能會對不同配方的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。總之，問題仍然在于目前我們尚不清楚 mRNA-LNP 的結(jié)構(gòu)以及包封的mRNA 與各種脂質(zhì)成分之間的相互作用。

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