Adv Mater丨夏宇飞、任瑛等解析LNP组装动力学过程，引入短程相互作用力实现mRNA组装-释放可控

mRNA-LNP技术正在引领治疗手段的深刻变革。脂质纳米颗粒（LNP）在mRNA递送中，其技术核心始终面临“封装”与“释放”的固有矛盾。可电离脂质作为LNP的功能核心，其电荷随环境pH变化的特性，是理解这一竞争中协调的关键。在酸性环境下，可电离脂质质子化带正电荷，通过静电相互作用（长程力）与负电mRNA紧密结合，实现稳定封装并有效保护mRNA免受降解。当LNP被细胞摄取进入内涵体后，酸性内涵体环境进一步促进可电离脂质质子化，这不仅增强其与内涵体膜的相互作用，也是mRNA高效胞质释放的关键步骤。然而，单纯依赖长程力容易导致可电离脂质与mRNA结合过紧，阻碍mRNA释放，降低蛋白表达效率。研究显示，即便是较小的siRNA（约20 nt），最终成功进入胞质的比例也仅约为1–2%。对于分子量更大、结构更复杂的mRNA（常超过4000 nt），实现高效胞内递送更具挑战性。

为此，中国科学院过程工程研究所夏宇飞研究员、任瑛副研究员等通力合作，通过分子动力学模拟与实验结合的方法，构建了一种以“接触数（contact number）”量化LNP与mRNA的结合程度的动力学演化过程，以指导可电离脂质的理性设计。研究发现通过引入氢键供体集团（如脲基、氨基甲酸酯），可以增强短程力以补强静电网络，降低可电离脂质剂量、减少核酸空包率、提升mRNA释放效率，在mRNA带状疱疹疫苗、肿瘤疫苗和在体基因编辑模型中均获得了优于商品化LNP的mRNA表达效果与生物效应。相关论文Resolving the mRNA Encapsulation-Release Trade-off via Compensatory Forces in Engineered Ionizable Lipids已发表于国际期刊Advanced Materials。

为协同以上组装-释放的互斥微观过程，本研究交叉融合计算机模拟与实验技术，深入探索了mRNA-LNP的组装动力学过程，构建了一套融合粗粒度分子动力学（CGMD）与全原子分子动力学（AAMD）模拟的计算-实验联合分析框架。在此框架下，提出了“接触数”以量化可电离脂质（IL）与mRNA之间的结合效率，多尺度解析mRNA和LNP之间的结合特性。进一步发现，在脂质中引入氢键供体基团（如：脲基、氨基甲酸酯等）可以引入短程作用力增强静电作用网络。分子模拟结果表明，相较于临床基准ALC0315，引入脲基的GT30脂质与mRNA的接触数提升了7.6%，且两者之间的氢键数量达到ALC0315的2.5倍。

在酸性封装环境下，短程相互作用与库仑力协同作用，共同增强了mRNA的封装稳定性，实现了可电离脂质用量减少达30%，有望降低高剂量可电离脂质带来的毒性；进一步地，在生理中性环境下，随着库仑力减弱，短程相互作用则主导了解离过程，从而有效促进了mRNA的快速释放。通过设计合成一系列具有不同短程相互作用基团的可电离脂质（IL）变体（如含脲基的GT30与含醚键的GT35），并在分子、分子聚集体、颗粒和宏观递送系统等多个尺度上开展了系统的实验验证，全面评估了其改善mRNA递送效果的机制与性能。

1. 分子间相互作用验证

核磁共振分析：GT30与mRNA混合后，其核磁共振谱中特征峰出现明显的低场位移（δ ≈ 1.35 ppm），这表明脲基的引入显著增强了与mRNA之间的氢键形成。作为对比，含醚键的GT35仅引起轻微位移（δ ≈ 1.24 ppm），说明其相互作用较弱。

原子力显微镜：探针测试显示，GT30-LNPs在穿刺和回撤过程中表现出更强的内聚力（0.086 ± 0.009 nN），并伴有明显的力波动，说明其内部结构更为紧密有序，分子间作用力动态且活跃。

同步辐射小角X射线散射：GT30-LNPs呈现出更紧凑的层状结构，散射强度更高，层间重复距离更小（46 Å，对比基准的52 Å）。尤其在40%脂质比例下，这种结构优势更为显著，为mRNA的稳定封装提供了物理基础。

2. 显著降低核酸空包率

GT30制备的LNP中，空载颗粒的比例仅为2%，远低于GT35的10% 和临床基准ALC0315的5.7%。这表明强短程相互作用有效提升了mRNA的封装效率。

3. 释放与表达有效提升

在模拟细胞质环境的生理条件下，GT30-LNPs（40%脂质比例）在12小时内表现出快速的mRNA释放动力学，而传统配方释放缓慢。这表明短程相互作用在生理pH下能有效促进mRNA的释放。肌肉注射实验表明，GT30-LNPs介导的荧光素酶报告基因表达信号强度是基准方案的1.8倍。此外，强效的短程相互作用使得在配方中降低脂质比例成为可能，有助于减少潜在副作用。本团队基于前期研究，进一步设计并合成了一系列结构新颖的OT脂质分子。其中，OT13在保留可电离叔胺头基以维持pH响应性质子化能力的同时，特异性引入了可形成强短程相互作用的脲基官能团。带状疱疹疫苗模型与黑色素瘤治疗模型共同指明OT13-LNP有效激活强大的细胞免疫应答，在肿瘤治疗实验中效果显著。

表 1 OT13-LNPs在疫苗与肿瘤治疗中的效果

评估模型

检测指标

OT13-LNPs效果

(相较于OT01对照组)

核心意义

带状疱疹疫苗模型

gE抗原特异性IFN-γ+ T细胞

提高至3.1倍

表明其诱导细胞免疫应答的能力显著增强

产生IL-2+的T细胞

提高至2.9倍

反映T细胞活化与增殖能力更强

CD8+ T细胞扩增与效应记忆T细胞(TEM)

显著增强，效应记忆T细胞增加1.6倍

提示可能产生更持久的免疫保护

黑色素瘤治疗模型

肿瘤体积抑制

减少77.9%

显示出强大的抗肿瘤效果

中位生存期

延长至38天 (显著优于对照组)

具有重要的实际治疗价值

研究团队通过系统性的体内实验评估了OT13-LNPs的肝脏靶向性与治疗潜力。荧光素酶报告基因实验表明，OT13-LNPs在肝脏中的 表达强度达到OT01-LNPs的2.0倍，且与临床基准脂质ALC0315的效果相当，证实其高效的肝内递送能力。

进一步利用Cre-LoxP Ai9报告基因小鼠模型分析显示，OT13-LNPs具备广谱肝细胞转染能力：可高效靶向肝血窦内皮细胞（82.1%）、肝细胞（29.7%）和Kupffer细胞（93.8%），凸显其多细胞类型覆盖优势。

在CRISPR-Cas9介导的基因编辑实验中，OT13-LNPs在0.5 mg/kg的低剂量下即可实现与ALC0315相当的TTR基因编辑效率。然而，其功能性输出显著更优：OT13-LNPs治疗后血清TTR蛋白水平降低超过90%，远超ALC0315-LNPs约58%下降率。这一结果说明，OT13-LNPs不仅具备高效编辑能力，更通过优化释放特性显著增强靶蛋白的沉默效果。

图 1 破译IL/mRNA相互作用，指导LNP理性设计

中国科学院过程 工程研究所博士生高炜翔、安康、马艺珊为共同第一作者；夏宇飞研究员、任瑛副研究员、黄箫喃项目研究员为本文的共同通讯作者。

文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202512235

夏宇飞课题组（中国科学院过程工程研究所）：聚焦疫苗黏膜佐剂、肿瘤疫苗、mRNA递送系统及其组装和递送微观过程研究。欢迎已获得或短期内可获得化学、生物、或工程等相关专业博士学位的有志科研之士申请博士后及科研助理职位。优秀者推荐申请“特别研究助理”计划，具体待遇面议。申请者请投递个人简历。

任瑛课题组（中国科学院过程工程研究所）：聚焦生物大分子、乳液、聚合物、复合材料等复杂分子体系的先进模拟方法构建和相关工业应用研究。欢迎已获得或短期内可获得计算化学、计算生物学、计算物理学等相关专业博士学位的有志科研之士申请博士后及科研助理职位。优秀者推荐申请“特别研究助理”计划，具体待遇面议。申请者请投递个人简历。

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