膽固醇對(duì)LNP納米顆粒結(jié)構(gòu)和細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率的影響

來(lái)源：邁安納（上海）儀器科技有限公司 2025年03月11日 14:25

“本文研究了溶致液晶相納米結(jié)構(gòu)和膽固醇在增強(qiáng)脂質(zhì)納米粒（LNPs）介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞mRNA轉(zhuǎn)染中的作用。通過(guò)開(kāi)發(fā)包含可離子化脂質(zhì)SM-102、輔助脂質(zhì)單油酸甘油酯（MO）和膽固醇的LNPs，實(shí)現(xiàn)了對(duì)肺泡巨噬細(xì)胞系（MH-S細(xì)胞）的mRNA有效遞送。研究利用同步加速器小角X射線散射（SAXS）技術(shù)觀察到，在pH值從7降低到4的過(guò)程中，LNPs的內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)發(fā)生了從反膠束到六邊形再到立方液晶相的有序轉(zhuǎn)變。膽固醇被確定為提高巨噬細(xì)胞mRNA轉(zhuǎn)染效率的關(guān)鍵組分，其有助于納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和蛋白冠變化。本文的研究結(jié)果突出了脂質(zhì)納米結(jié)構(gòu)自組裝以及膽固醇在成功實(shí)現(xiàn)mRNA向肺巨噬細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)遞送和轉(zhuǎn)染中的關(guān)鍵作用，為基于細(xì)胞的肺病療法中的RNA技術(shù)提供了進(jìn)展。”

圖一、結(jié)構(gòu)示意圖

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研究結(jié)果

1.1 LNP納米結(jié)構(gòu)的表征：

本研究通過(guò)改變膽固醇的含量，固定其余組分的方式制備LNP，并利用同步加速器小角X射線散射（SAXS）分析，精確地觀察到了LNP納米結(jié)構(gòu)在不同pH條件下的轉(zhuǎn)變過(guò)程。具體而言，在pH值從7降至4的過(guò)程中，LNP經(jīng)歷了從逆微胞相到六方相，再到立方相的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變揭示了LNP在模擬細(xì)胞內(nèi)酸性環(huán)境時(shí)的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，為理解LNP在細(xì)胞內(nèi)的行為提供了關(guān)鍵信息。

圖二、不同膽固醇含量LNP的表征

1.2 膽固醇對(duì)LNP納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的促進(jìn)作用：

在較低pH環(huán)境下（如模擬成熟內(nèi)涵體的pH4條件），不含膽固醇的LNP主要呈現(xiàn)二維有序的H2納米結(jié)構(gòu)相。然而，當(dāng)LNP中含有膽固醇時(shí)，能夠觀察到更復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變可能與膽固醇在調(diào)節(jié)LNP穩(wěn)定性、促進(jìn)mRNA從LNP中釋放以及增強(qiáng)LNP與細(xì)胞膜融合能力方面的作用有關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)為理解膽固醇如何影響LNP介導(dǎo)的mRNA遞送過(guò)程提供了新的見(jiàn)解。同時(shí)，也強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計(jì)高效LNP制劑時(shí)考慮膽固醇含量的重要性。

圖三、不同pH、不同膽固醇、不同N/P比例條件下LNP的結(jié)構(gòu)變化

1.3 膽固醇對(duì)mRNA轉(zhuǎn)染效率的影響：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，膽固醇的存在對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效的mRNA遞送至關(guān)重要。在LNP制劑中加入20mol%的膽固醇，可以顯著提升mRNA的轉(zhuǎn)染效率，提高幅度達(dá)到50%。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了膽固醇在優(yōu)化LNP性能、增強(qiáng)mRNA遞送能力方面的重要作用。為了驗(yàn)證LNPs在原代巨噬細(xì)胞中的轉(zhuǎn)染效率，實(shí)驗(yàn)采用了從小鼠肺泡灌洗液中分離得到的原代肺泡巨噬細(xì)胞以及從人外周血單核細(xì)胞分化而來(lái)的單核細(xì)胞衍生巨噬細(xì)胞（MDMs）。通過(guò)熒光素酶mRNA作為模型mRNA進(jìn)行轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含有20mol%膽固醇的LNPs在原代肺泡巨噬細(xì)胞和MDMs中均表現(xiàn)出較高的轉(zhuǎn)染效率。這一結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了膽固醇在增強(qiáng)LNPs介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞mRNA轉(zhuǎn)染中的關(guān)鍵作用。通過(guò)流式細(xì)胞術(shù)和共聚焦顯微鏡成像技術(shù)，觀察了LNPs與MH-S細(xì)胞和原代肺泡巨噬細(xì)胞的結(jié)合與內(nèi)化過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有LNPs均與細(xì)胞緊密結(jié)合，并有效地被細(xì)胞內(nèi)化。特別是在含有20mol%膽固醇的LNPs處理的細(xì)胞中，觀察到了更多的LNPs被內(nèi)化并定位于細(xì)胞內(nèi)。這一結(jié)果表明，膽固醇的加入不僅提高了LNPs的轉(zhuǎn)染效率，還促進(jìn)了LNPs與細(xì)胞的結(jié)合與內(nèi)化過(guò)程。

圖四、不同膽固醇含量、不同N/P比對(duì)LNP在巨噬細(xì)胞中的轉(zhuǎn)染效率比較

圖五、不同膽固醇含量對(duì)LNP在原代巨噬細(xì)胞中的轉(zhuǎn)染效率比較

1.4 膽固醇對(duì)LNP表面吸附蛋白的影響：

LNPs在注入體內(nèi)后，會(huì)與生物流體中自然存在的生物分子（如蛋白質(zhì)）發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，形成蛋白質(zhì)冠。這種蛋白質(zhì)冠可以顯著改變LNPs的生物響應(yīng)。膽固醇的存在影響了LNP表面蛋白質(zhì)冠的組成。具體而言，含有膽固醇的LNPs（如CHL20和CHL40）與不含膽固醇的LNP（CHL0）相比，在蛋白質(zhì)冠的組成上存在顯著差異。含有膽固醇的LNPs選擇性吸附了某些特定蛋白質(zhì)，如補(bǔ)體因子H（CFH）和免疫球蛋白G3（IgG3）。補(bǔ)體因子H（CFH）在免疫調(diào)節(jié)中起著重要作用，能夠抑制補(bǔ)體激活，從而可能減少LNP的免疫原性。免疫球蛋白G3（IgG3）則與Fc受體（FcγRs）相互作用，參與吞噬作用和細(xì)胞因子調(diào)節(jié)，這可能有助于增強(qiáng)LNPs被巨噬細(xì)胞的攝取和內(nèi)化。這些蛋白質(zhì)在CHL20和CHL40的蛋白質(zhì)冠中顯著富集，但在CHL0中則相對(duì)缺乏。這些差異表明，膽固醇不僅影響LNP表面吸附蛋白質(zhì)的數(shù)量，還影響其種類和功能，從而可能對(duì)LNPs的體內(nèi)行為和遞送效率產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

圖六、不同膽固醇含量對(duì)LNP表面蛋白組學(xué)

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結(jié)論

本研究開(kāi)發(fā)了一種包含可離子化脂質(zhì)SM-102、輔助脂質(zhì)MO和膽固醇的LNPs，用于實(shí)現(xiàn)mRNA向巨噬細(xì)胞的高效遞送。研究結(jié)果顯示，LNPs具有pH敏感的溶致液晶相納米結(jié)構(gòu)，膽固醇在提高mRNA轉(zhuǎn)染效率中起關(guān)鍵作用。本研究為基于細(xì)胞的肺病療法提供了有前景的RNA技術(shù)進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)了脂質(zhì)納米結(jié)構(gòu)自組裝和膽固醇在成功實(shí)現(xiàn)mRNA細(xì)胞內(nèi)遞送和轉(zhuǎn)染中的重要性。未來(lái)的研究將進(jìn)一步探索LNPs在肺病治療中的潛在應(yīng)用，并優(yōu)化其組分和結(jié)構(gòu)以提高轉(zhuǎn)染效率。

參考文獻(xiàn)：Iscaro, Joshua, et al. "Lyotropic liquid crystalline phase nanostructure and cholesterol enhance lipid nanoparticle mediated mRNA transfection in macrophages." Advanced Functional Materials 34.46 (2024): 2405286.

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