SAXS揭秘微观世界第八讲

探索SAXS在mRNA-LNPs递送系统中的应用

想了解如何利用SAXS技术研究mRNA-LNP的相互作用和结构特性？LNPs在基于mRNA的给药系统中的优势如何推动疫苗和癌症治疗？COVID-19疫苗成功背后的科学原理是什么？让我们一起探索SAXS在LNPs研究中的重要性，以及其在药物递送领域的潜力。

一、介绍

近年来，脂质纳米粒子（LNP）技术，特别是基于 mRNA 的给药系统，因其在各种治疗应用，尤其是疫苗和癌症治疗方面的潜力而备受关注。在基于 mRNA 的给药过程中，LNPs 可作为功能强大的纳米载体，保护 mRNA 有效载荷并促进其向靶细胞和组织的输送。基于 mRNA 的 COVID-19 疫苗最近取得了成功，这凸显了该技术的突破性能力，为药物输送效力和适应性树立了新的标杆。

随着科学家们深入研究基于 mRNA 的疗法，对优化给药系统的先进技术的需求日益明显。小角 X 射线散射 (SAXS) 在mRNA-LNPs药物研发中扮演着重要角色，为我们揭示了这些递送系统的结构特性。SAXS 通过评估脂质成分、mRNA 浓度和环境条件（如温度或 pH 值）等各种因素对 LNPs 结构的影响，在优化用于 mRNA 递送的 LNP 配方方面发挥着举足轻重的作用。这一优化过程不仅提高了mRNA传递的效率和成功率，还为基于mRNA的治疗方法带来了更好的疗效和治疗结果。

二、SAXS研究 LNPs的优势

SAXS是一种强大的技术，可以帮助研究人员了解带有和不带有mRNA的LNPs的结构，从而优化药物配方和提升药物递送系统的效果。以下是几个关键优势，使得SAXS在这个领域中成为一种不可或缺的工具：

内部结构分析: SAXS 可以穿透 LNPs 的外表面，在不损坏样品的情况下详细了解其内部结构。

原始状态分析: SAXS分析不需要对样品进行特殊处理，比如过滤、加热、冷冻或干燥。这意味着可以在LNPs的原始状态下观察它们的结构和相互作用。

全面的结构信息: SAXS可以提供详细的信息，显示出LNPs的整体大小、形状和内部结构。它还可以研究生物分子之间的相互作用，比如与蛋白质和配体的结合，以及检测聚集情况。

快速自动筛选: SAXS 是一种相对快速和自动化的技术，因此非常适合监测各种配方条件或温度下的结构和稳定性变化。

多功能性: SAXS 适用于多种实验条件，为研究和开发提供了灵活性。

定量分析: SAXS 提供定量数据分析，可精确测量结构参数和随时间的变化。这有助于加深对 LNPs 行为和稳定性的理解。

三、技术互补性：使用SAXS技术来更好地了解mRNA-LNP

SAXS技术提供独特且互补的信息，使我们能够更深入地了解mRNA-LNP结构。与其他技术结合使用时，如电子显微镜（EM），可以实现协同作用：EM提供LNPs的详细图像，而SAXS则在溶液中验证这些观察结果，并追踪不同条件下的变化。这种组合方法确保了对mRNA-LNP结构的准确和全面分析。

通过将 SAXS 与 EM 等方法相结合，研究人员可以获得更全面、更生动的LNP结构图像，从而确保更好地优化和更有效的 mRNA 递送系统。这种互补方法对推动基于mRNA的治疗方法的发展至关重要。

四、研究相互作用参数与 mRNA 特性之间的关系

mRNA封装检测

通过 SAXS可以详细了解治疗载荷是如何封装和分散的。比较空 LNPs 与含有 mRNA 的 LNPs 的 SAXS 图谱，可以发现表明 mRNA 被包裹的明显特征 [1-4]。这些特征，如峰值位置的移动、强度的变化或新峰值的出现，有助于确认 mRNA 是否成功封装到 LNPs 中。这种评估对于优化药物递送系统至关重要。

优化 mRNA 负载饱和度

实现最佳的 mRNA 负载饱和度对于最大限度地提高基于 mRNA 的疗法的疗效至关重要。SAXS 能够量化 LNPs 中的 mRNA 负载水平[1,2,6]，并有助于确定有效载荷和载体成分之间的理想平衡。这种优化可大大提高递送系统的治疗效力。

mRNA 分布评估

SAXS可以帮助探索LNPs内mRNA载荷的分布。结合建模技术，SAXS可以揭示核壳mRNA-LNP结构，其中核心富含电子（富含mRNA），被脂质包围[1,2]。此外，SAXS已被证明在检测LNPs中的结构变化方面非常有效，比如在三次冷冻-解冻循环后发生的变化[2]。因此，SAXS不仅有助于理解mRNA在LNPs内的初始分布和封装，还在监测这些纳米颗粒在不同条件下的稳定性和完整性方面发挥着关键作用[5]。

五、研究结构参数与 mRNA 特性之间的关系

LNPs 结构表征

SAXS是一种强大的工具，用于了解空载和装载mRNA的LNPs的结构特性。该技术提供了关于大小、形状和内部结构组织的详细见解[1-4]，为优化设计和配方提供了关键信息，以提高治疗效果和传递效率。

稳定性评估

确保 LNPs 的稳定性对于保持 mRNA 有效载荷的完整性至关重要。SAXS 可以监测 LNP 尺寸和结构的变化，这可能是不稳定的信号。峰值位置的移动、强度的变化或新峰值的出现都表明 LNP 内部结构发生了变化。此外，SAXS 还能评估分散性和聚集倾向，指导优化配方。由于 SAXS 是无需干预的，它还能很好地观察不同环境变化下（如 pH 值和温度变化 [5,6]）、脂质成分变化 [4] 或细胞外蛋白质（如载脂蛋白 E (ApoE)）[7]，胶体和结构对稳定性的影响。通过SAXS信号，我们可以了解尺寸大小、相互作用和结构变化，这为详细的稳定性评估提供了重要线索。此外，数据的信息含量通常有助于深入了解稳定性是否发生了变化以及发生变化的原因。

表征结晶度

SAXS 在表征脂质纳米粒子及其载荷的结晶度方面发挥着关键作用。LNPs 内的晶体结构对其稳定性、释放速率和整体疗效有着重要影响。SAXS 和 WAXS 是检测 LNPs配方中结晶结构的灵敏技术[10]，可深入了解脂质双分子层和封装的 mRNA 的分子排列。了解了 LNPs 成分的结晶度，就可以对其配方进行精确调整，优化治疗效果，确保将 mRNA 有效载荷成功传递到靶细胞。

表征片层结构

根据脂质成分和制备方法等因素的不同，LNPs 可以呈现出各种不同的相，包括片状相、立方相、六方相等。层状相是 LNPs 中研究最多的一种，因为它是脂基系统中的一种基本结构，通常是由于脂质分子将自身组织成脂质双层的自然趋势而形成的。了解层状结构对优化 LNPs 至关重要，因为它会影响稳定性、mRNA 封装效率和释放动力学。这种特性取决于脂质成分和 LNPs 制备方法，因此对质量控制评估至关重要。SAXS 已被证明能有效阐明 LNPs 的层状结构 [1,5,6,8,9] 以及脂质双分子层结构 [8]。通过研究脂质成分、mRNA 浓度、温度或 pH 值等因素对 LNPs 层状结构的影响，该技术有助于优化 LNPs 配方，从而实现 mRNA 输送[5,6]。这种优化可提高 mRNA 递送效率，从而改善基于 mRNA 的治疗效果。除了研究片层相，SAXS 还可用于研究 LNPs 中存在的其他相，如立方相 [1]、六方相 [6,9,10] 或反蠕虫链胶束结构 [1]，从而全面了解其结构的多样性，并为增强药物递送的优化策略提供支持。

mRNA 释放动力学

从 LNPs 中控制 mRNA 的释放对于取得疗效同时最大限度地减少脱靶效应非常重要。SAXS 能够监测 LNP 结构随时间或特定条件下发生的变化，从而深入了解释放动力学和有效载荷的分布情况 [5]。了解了 mRNA 的释放动力学，有助于设计具有个性化释放特性的递送系统，确保治疗效果最大化。

参考文献

[1] L. Cui, M. R. Hunter, S. Sonzini, S. Pereira, S. M. Romanelli, et al., Mechanistic Studies of an Automated Lipid Nanoparticle Reveal Critical Pharmaceutical Properties Associated with Enhanced mRNA Functional Delivery In Vitro and In Vivo, Small 18, 2105832 (2022). DOI: 10.1002/smll.202105832.

[2] H. M. Dao, K. AboulFotouh, A. F. Hussain, A. E. Marras, K. P. Johnston, et al., Characterization of mRNA Lipid Nanoparticles by Electron Density Mapping Reconstruction: X-Ray Scattering with Density from Solution Scattering (DENSS) Algorithm, Pharm. Res. 41, 501 (2024). DOI: 10.1007/s11095-024-03671-9.

[3] S. Patel, N. Ashwanikumar, E. Robinson, Y. Xia, C. Mihai, et al., Naturally-Occurring Cholesterol Analogues in Lipid Nanoparticles Induce Polymorphic Shape and Enhance Intracellular Delivery of mRNA, Nat. Commun. 11, 983 (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-14527-2.

[4] C. Wilhelmy , I. S. Keil, L. Uebbing, M. A. Schroer, D. Franke, et al., Polysarcosine-Functionalized mRNA Lipid Nanoparticles Tailored for Immunotherapy, Pharmaceutics 15, 8 (2023). DOI: 10.3390/pharmaceutics15082068.

[5] L. Uebbing A. Ziller, C. Siewert, M. A. Schroer, C. E. Blanchet, et al., Investigation of pH-Responsiveness inside Lipid Nanoparticles for Parenteral mRNA Application Using Small-Angle X-Ray Scattering, Langmuir 36, 13331 (2020). DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c02446.

[6] R. Pattipeiluhu, Y. Zeng, M. M. R. M. Hendrix, I. K. Voets, A. Kros, et al., Liquid Crystalline Inverted Lipid Phases Encapsulating siRNA Enhance Lipid Nanoparticle Mediated Transfection, Nat. Commun. 15, 1303 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-45666-5.

[7] F. Sebastiani, M. Y. Arteta, M. Lerche, L. Porcar, C. Lang, et al., Apolipoprotein E Binding Drives Structural and Compositional Rearrangement of mRNA-Containing Lipid Nanoparticles, ACS Nano 15, 6709 (2021). DOI: 10.1021/acsnano.0c10064.

[8] J. A. Kulkarni, M. M. Darjuan, J. E. Mercer, S. Chen, R. van der Meel, et al., On the Formation and Morphology of Lipid Nanoparticles Containing Ionizable Cationic Lipids and siRNA, ACS Nano 12, 4787 (2018). DOI: 10.1021/acsnano.8b01516.

[9] M. Hammel, Y. Fan, A. Sarode, A. E. Byrnes, N. Zang, et al., Correlating the Structure and Gene Silencing Activity of Oligonucleotide-Loaded Lipid Nanoparticles Using Small-Angle X-Ray Scattering, ACS Nano 17, 11454 (2023). DOI: 10.1021/acsnano.3c01186.