脂质纳米颗粒中各成分的作用

脂质纳米颗粒(LNP)在COVID-19 mRNA疫苗中发挥了重要的作用。此外，许多临床前和临床研究也表明LNP在核酸医疗领域有着巨大的潜力。LNP的诸多结构及生物学特性并不仅仅归因于单一的脂质成分，而是各类脂质的组合。因此，本文将着重描述不同的脂质成分在LNP制备中的作用。

阳离子脂质

可电离的阳离子脂质通常有一个叔胺，它在中性条件下脱质子化，在低于脂质酸解离常数(pKa)的pH条件下带正电荷。阳离子脂质有两个关键的功能：一是促进LNP中的核酸包封；二是介导核内体膜破坏，使核酸释放到细胞质中。此外，阳离子脂质也能在核内体摄取中发挥重要作用：或直接通过某些脂质上的正电荷与带负电荷的细胞膜之间相互作用，或通过与支持细胞摄取的血浆蛋白结合发挥作用。

图1为Comirnaty、Spikevax和Onpattro中使用的三种不同的阳离子脂质。开发出一款有效的阳离子脂质并非易事，需要考虑生物降解性、耐受性、蛋白表达和免疫原性等诸多问题，并且用于包裹siRNA的阳离子脂质，不一定适用于DNA和RNA的包裹。

图1.阳离子脂质

PEG脂质

      PEG脂质的选择极大地影响LNP的大小、稳定性、体内分布和转染效率等关键特性。在LNP制备和存储过程中，PEG脂质通过提供空间屏障来稳定其结构，既能驱动自组装又能防止颗粒聚集。图2的电镜图中不难看出，当PEG脂质占比提升时，LNP的粒径有较明显的下降。此外，PEG脂质在一定程度上控制LNP的循环时间及其与细胞间的相互作用。选择哪一种PEG 脂质高度取决于目的、靶器官和/或细胞类型以及给药途径，并应考虑构成脂质尾巴的烷基/酰基链的摩尔比和长度，研究表明这些参数都会影响LNP的关键特性。

图2.LNP电镜图

胆固醇

胆固醇在细胞膜中的作用很大程度上取决于具体情况。当与具有低凝胶-液晶相变(Tm)的脂质结合时，胆固醇有助于形成液序相，其特征是膜流动性降低、双分子层厚度增加(图3)，胆固醇和低Tm脂类发生“凝结”，因此脂类和胆固醇的横截面积低于单个横截面积的总和。然而，当与高Tm脂质结合时，胆固醇提高膜流动性并使双分子层变窄。在这两种情况下，胆固醇都会将脂质拉向液体状态。另外，胆固醇可显著减少LNP表面结合蛋白的数量，并改善循环半衰期。因此，相对于内源性膜，LNP配方中含有等量的胆固醇可以防止净流出或流入，并保持膜的完整性。

图3.三种不同的脂膜相

中性脂质

中性脂质又称为辅助型脂质，常见的有DOPE、DSPC、DOPC等。与其他组分相比，针对中性脂质的研究相对较少，其在配方中的占比为总脂质的10%−20%。中性脂质常作为LNP配方的结构脂质，因为它们可以自发地组织成脂质双层，且较高的相变温度可增强LNP的膜稳定性，与之相对应，LNP在内涵体逃逸时，其又能破坏内涵体稳定性，提高核酸递送效率。中性脂质通常是半合成的，例如，磷脂酰胆碱通常来源于蛋黄和大豆等天然原料，并且可以进行化学修饰(如增加脂肪酸尾巴)。

图4.不同类型的纳米粒子

小 结

在制备条件一致的前提下，核酸成分及脂质占比对纳米粒子的结构有着决定性的影响，从图4即可看出。了解各类脂质的功能是LNP配方优化的前提，文中简要介绍了LNP常见四种成分的作用，其内容多来自参考文献，文献题为“The role of lipid components in lipid nanoparticles for vaccines and gene therapy”，如需更深入的了解，可直接查阅原文献。

参考文献：

1. Hald Albertsen C, Kulkarni JA, Witzigmann D, Lind M, Petersson K, Simonsen JB. The role of lipid components in lipid nanoparticles for vaccines and gene therapy. Adv Drug Deliv Rev. 2022 Sep;188:114416. doi: 10.1016/j.addr.2022.114416. Epub 2022 Jul 3. PMID: 35787388; PMCID: PMC9250827.