机械应力测试：保障mRNA-脂质纳米颗粒稳定性的关键研究

迈安纳
2024-09-27


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近年来，随着生物医药技术的飞速发展，mRNA-脂质纳米颗粒（LNPs）作为核酸药物的重要递送载体，在基因治疗和疫苗开发等领域展现出巨大潜力。然而，如何确保这些纳米颗粒在运输、储存和给药过程中的稳定性，是药物研发过程中的一大挑战。近日，一项关于mRNA-LNPs的机械应力测试研究，为我们揭示了其在不同振动和摇晃条件下的稳定性表现，对于优化药物配方和包装材料具有重要意义。



引言

mRNA-LNPs作为一类新型的药物递送系统，其有效性高度依赖于纳米颗粒在细胞内的递送效率。然而，在药物的研发、生产和运输过程中，LNPs可能会受到各种机械应力的影响，如摇晃、振动等，这些应力可能导致纳米颗粒的破坏、核酸的泄漏或聚集，从而影响药物的疗效和安全性。因此，对mRNA-LNPs进行机械应力测试，评估其在不同条件下的稳定性，对于药物研发和临床应用具有重要意义。




研究背景

在药物研发的早期阶段，尤其是在进入人体试验之前，对mRNA-LNPs进行配方开发和优化至关重要。这包括选择合适的脂质配方、优化制备工艺、评估药物在储存和运输过程中的稳定性等。其中，机械应力测试是评估药物稳定性的重要手段之一。通过模拟实际运输和储存过程中可能遇到的振动和摇晃条件，可以评估药物在不同应力条件下的稳定性，从而为后续的药物研发和临床应用提供有力支持。


研究方法

在本研究中，研究人员采用了多种摇晃和振动方法，对mRNA-LNPs进行了机械应力测试。具体方法如下：




  1. 设备与方法：使用不同类型的摇床（如轨道摇床、水平摇床、涡旋混合器等）和不同的转速（如300 rpm、600 rpm、900 rpm等），对装有mRNA-LNPs的玻璃小瓶进行摇晃。同时，还设置了不同的摇晃时间（如1天、3天、7天等），以评估长时间摇晃对纳米颗粒稳定性的影响。

  2. 样品制备：使用多聚腺苷酸（polyA）作为替代核酸，制备mRNA-LNPs。这些纳米颗粒经过透析和过滤后，填充到玻璃小瓶中，并加盖密封。部分样品还进行了冷冻干燥处理，以评估不同剂型（如液体和冻干粉）在摇晃条件下的稳定性。

  3. 表征方法：通过动态光散射（DLS）测量纳米颗粒的粒径和分散性指数（PDI），通过荧光定量法测量封装的核酸浓度，并通过流式细胞术评估mRNA在细胞内的表达效率。


研究结果

1. 摇晃对核酸封装效率的影响


摇晃导致mRNA-LNPs中封装的核酸浓度下降。在水平摇晃和垂直摇晃条件下，随着转速的增加和摇晃时间的延长，核酸封装效率均呈现下降趋势。此外，在低温（2-8°C）条件下摇晃时，核酸封装效率的下降更为显著。


图一、LNP经水平（A、C）和垂直（B、D）摇晃后封装核酸的浓度变化

2.摇晃对粒径和分散性的影响


研究发现，无论是水平摇晃还是垂直摇晃，随着转速的增加，mRNA-LNPs的粒径均呈现增大趋势，而PDI则呈现下降趋势。这表明摇晃可能导致纳米颗粒的融合和聚集。然而，在较高的转速（如900 rpm）下，粒径和PDI的变化不再显著，这可能是由于纳米颗粒已经达到了某种稳定状态。


图二、LNP经水平（A、C）和垂直（B、D）摇晃后粒径和PDI的变化


图三、在2–8°C下，以300、600和900 rpm的速度垂直和水平摇晃1天后，玻璃瓶中（A）液体poly A-LNPs和（B）液体eGFP-mRNA-LNPs空瓶的示例图像。


3. 摇晃对mRNA表达效率的影响


通过流式细胞术评估mRNA在HeLa细胞中的表达效率发现，摇晃导致mRNA表达效率下降。这可能是由于摇晃破坏了纳米颗粒的结构，导致mRNA无法有效递送到细胞内。


图四、在2–8°C下，以300、600和900 rpm的速度摇晃1天后，eGFP-mRNA-LNPs在HeLa细胞培养eGFP表达实验中的荧光强度变化。

图五、室温涡旋对poly A/LNP包封的核酸浓度（A）和粒径、PDI（B）的影响。


研究结论


本研究揭示了mRNA-LNPs在不同摇晃和振动条件下的稳定性表现。结果表明，摇晃对mRNA-LNPs的粒径、分散性、核酸封装效率和mRNA表达效率均产生显著影响。因此，在药物研发和临床应用过程中，需要特别注意运输和储存过程中的机械应力问题。通过优化配方、改进包装材料和采用适当的运输方式等措施，可以有效提高mRNA-LNPs的稳定性，保障药物的疗效和安全性。





展望


未来，随着对mRNA-LNPs稳定性研究的不断深入，我们有望开发出更加稳定、高效的核酸药物递送系统。这将为基因治疗和疫苗开发等领域带来更多的突破和进展，为人类的健康事业贡献更大的力量。同时，我们也期待更多关于mRNA-LNPs稳定性的研究成果能够发表出来，为学术界和工业界提供更多的参考和借鉴。


【参考文献】

Ruppl, Anna, et al. "Don’t shake it! Mechanical stress testing of mRNA-lipid nanoparticles." European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 198 (2024): 114265.



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