中检院综述|用于mRNA递送的新型LNP设计策略

研究背景

mRNA疗法作为继小分子药物、抗体药物后的“第三类药物”，在疫苗开发、基因编辑及蛋白质替代治疗中展现出巨大潜力。然而，mRNA分子本身存在易被核酸酶降解、难以穿透细胞膜、免疫原性过强等缺陷，递送系统的开发成为其临床应用的核心瓶颈。脂质纳米颗粒（Lipid Nanoparticles, LNP）因具有高包封率、低毒性、可规模化生产等优势，已成为当前mRNA递送的“黄金载体”。2020年，基于LNP递送的COVID-19 mRNA疫苗（如BNT162b2、mRNA-1273）的成功上市，标志着LNP技术从实验室走向临床的关键突破。中国食品药品检定研究院（NIFDC）作为国家药品质量控制的核心机构，围绕LNP的设计策略开展系统性研究，旨在为mRNA药物的质量评价与监管提供科学依据。本文从LNP的组分设计、功能优化及质量控制三方面，综述新型LNP在mRNA递送中的关键策略。

核心内容详解

一、LNP的核心组分与基础功能

LNP通常由四类脂质组成：可电离脂质（Ionizable Lipid）、辅助脂质（Helper Lipid）、胆固醇（Cholesterol）及聚乙二醇修饰脂质（PEG-Lipid），各组分协同作用，共同实现mRNA的高效包载与精准递送。

1.1 可电离脂质：递送的“核心引擎”

可电离脂质是LNP的核心功能组分，其质子化状态随环境pH变化而改变。在生理pH（7.4）下，可电离脂质呈电中性，减少与血清蛋白的非特异性结合，降低毒性；进入细胞内体（pH 5.0-6.0）后，氨基基团质子化带正电，与内体膜负电荷相互作用，诱导膜融合并释放mRNA至胞质。其结构可分为头部（胺基）、连接键（酯键/醚键）及尾部（烷基链）三部分，每部分的设计均直接影响LNP的包封效率、内体逃逸能力及生物相容性。例如，Moderna公司mRNA-1273疫苗采用的可电离脂质ALC-0315，通过引入不饱和尾部（十七碳烯基）降低相变温度，增强内体膜融合效率；辉瑞/BioNTech的BNT162b2则选用SM-102，其头部的二甲基氨基与尾部的支链结构协同优化了mRNA包载稳定性。

1.2 辅助脂质：结构稳定的“支撑骨架”

辅助脂质多为中性或负电性磷脂，如二硬脂酰磷脂酰胆碱（DSPC）或二油酰磷脂酰乙醇胺（DOPE）。DSPC通过饱和烷基链的紧密排列，增强LNP在血液循环中的结构稳定性；DOPE则因具有锥形分子结构，可在内体酸性环境下诱导膜融合，促进mRNA释放。研究表明，辅助脂质的比例（通常占LNP总脂质的5%-15%）需与可电离脂质匹配，过高会导致颗粒刚性过强，过低则可能破坏LNP的组装均一性。

1.3 胆固醇：膜流动性的“调控开关”

胆固醇通过插入脂质双分子层，调节膜的流动性与相变温度：在生理温度下，胆固醇可填充脂质分子间的空隙，减少膜渗漏；在酸性内体环境中，其刚性结构有助于维持LNP的完整性，直至触发释放。研究显示，胆固醇含量（约30%-50%）过高会增加LNP的疏水性，降低与细胞膜的相互作用；过低则可能导致颗粒在循环中提前解体。

1.4 PEG脂质：循环时间的“延长剂”

PEG脂质（如DMG-PEG2000）通过表面修饰形成“空间位阻层”，减少LNP被网状内皮系统（RES）识别与清除，延长血液循环时间。但PEG可能引发“加速血液清除（ABC）”效应——重复给药时，体内产生的抗PEG抗体可加速LNP清除，降低疗效。因此，PEG的分子量（通常2000-5000 Da）与修饰比例（0.5%-2%）需严格优化。近年研究提出“可脱落PEG”策略，通过酸敏感键（如腙键）连接PEG与脂质，使LNP在到达靶组织后脱落PEG，恢复与细胞的相互作用，有效平衡循环稳定性与靶向递送效率。

二、LNP设计优化策略

为满足mRNA递送的“保护-运输-释放”全流程需求，LNP的设计需从结构、功能及微环境响应性等多维度优化。

2.1 可电离脂质的精准结构设计

可电离脂质的pKa值（质子化50%时的pH）是关键参数：pKa过低（<6.0）会导致内体环境下质子化不足，影响mRNA释放；pKa过高（>7.0）则可能在循环中带正电，引发红细胞聚集与毒性。通过调整头部胺基类型（如伯胺、叔胺、季铵盐）及取代基（如羟基、氟代基），可精确调控pKa值。例如，含哌嗪环的可电离脂质（如MC3）pKa约6.4，与内体pH高度匹配，被广泛应用于临床前研究。此外，连接键的设计影响脂质代谢：酯键可被酯酶降解，降低长期毒性；醚键则稳定性更高，适用于需要长效释放的场景。尾部结构中，不饱和键（如双键）可增加膜流动性，促进内体逃逸；支链结构（如异辛基）可减少脂质堆积，提高包封率。

2.2 pH响应性递送的级联调控

LNP的递送过程需经历“血液循环（pH 7.4）→ 靶组织渗透（pH 6.5-7.0）→ 细胞内吞（pH 6.0-6.5）→ 内体酸化（pH 5.0-5.5）”的pH梯度变化。通过多组分协同设计，可实现级联响应：PEG脂质的酸敏感键在靶组织微酸性环境下部分脱落，暴露LNP表面的靶向配体；可电离脂质在进入内体后质子化，与辅助脂质（如DOPE）协同诱导膜融合，最终释放mRNA。例如，采用腙键连接的PEG-DMG脂质（pKa≈5.5），可在内体环境下快速脱落，避免PEG对释放过程的阻碍。

2.3 靶向递送的功能化修饰

针对肿瘤、肝脏等特定组织，通过在LNP表面偶联靶向配体（如半乳糖、抗体片段、短肽），可提高递送特异性。肝脏是mRNA递送的重要靶器官（如治疗遗传性肝病的mRNA药物），半乳糖修饰的LNP可通过与肝细胞表面去唾液酸糖蛋白受体（ASGPR）结合，实现主动靶向。例如，Alnylam公司的小干扰RNA药物（如Onpattro）即采用N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）修饰的脂质纳米颗粒，其肝脏靶向效率较未修饰颗粒提高10倍以上。对于肿瘤递送，可结合肿瘤微环境的高渗透长滞留（EPR）效应与靶向配体（如RGD肽靶向整合素），实现“被动 + 主动”双重靶向，减少脱靶毒性。

2.4 粒径与表面电荷的精细调控

LNP的粒径（通常50-150 nm）直接影响其体内分布：小于50 nm易被肾脏清除；大于200 nm则难以穿透毛细血管壁。动态光散射（DLS）与透射电镜（TEM）是粒径表征的主要手段，通过调整脂质浓度、水相/有机相比例及微流控混合速度，可精确控制粒径均一性（PDI<0.2）。表面电荷方面，生理pH下LNP应呈近中性（Zeta电位-10 mV至 + 10 mV），以减少与血浆蛋白的结合；进入细胞后，质子化的可电离脂质使表面电荷转为正电（+20 mV至 + 40 mV），增强与负电性细胞膜的相互作用。

三、LNP的质量控制与评价标准（NIFDC视角）

作为mRNA药物的核心载体，LNP的质量直接影响药物的安全性、有效性与稳定性。中国食品药品检定研究院基于《中国药典》及国际人用药品注册技术协调会（ICH）指南，建立了涵盖理化性质、生物学活性及稳定性的多维度评价体系。

3.1 理化性质表征

•粒径与分布：采用DLS测定平均粒径及多分散指数（PDI），TEM观察颗粒形态（球形、类球形）；

•Zeta电位：通过电泳光散射法测定表面电荷，评估LNP在生理环境中的稳定性；

•脂质组成分析：高效液相色谱-质谱联用（LC-MS）定量检测各脂质组分比例，确保可电离脂质、辅助脂质等符合处方要求；

•mRNA包封率：采用荧光染料（如RiboGreen）法或高效液相色谱法（HPLC），计算包封于LNP内部的mRNA比例（通常需>80%）；

•mRNA完整性：琼脂糖凝胶电泳或毛细管电泳（CE）检测mRNA的完整度，避免降解产物影响表达效率。

3.2 生物学活性评价

•内体逃逸能力：通过共聚焦显微镜观察LNP与内体标记物（如LAMP1）的共定位情况，评估mRNA释放效率；

•体外转染效率：在HEK293、HepG2等细胞系中检测荧光蛋白（如GFP）或报告基因（如荧光素酶）的表达水平，评价LNP的递送能力；

•免疫原性检测：通过ELISA测定小鼠血清中IL-6、TNF-α等炎症因子水平，评估LNP引发的先天免疫反应。

3.3 稳定性研究

•加速稳定性试验：在40℃±2℃、相对湿度75%±5%条件下放置6个月，定期检测粒径、包封率及mRNA完整性；

•长期稳定性试验：在2-8℃条件下放置24个月，考察关键质量属性（CQA）的变化趋势；

•冻融稳定性：模拟运输过程中的温度波动，检测冻融（-20℃→25℃）循环后LNP的聚集情况及mRNA活性。

小结

新型LNP的设计策略已从“经验试错”转向“机制导向的精准调控”，通过可电离脂质的结构优化、多组分协同作用及微环境响应性设计，显著提升了mRNA的递送效率与安全性。中国食品药品检定研究院在LNP质量控制领域的研究，为我国mRNA药物的研发与监管提供了关键技术支撑。未来，LNP的发展方向包括：

（1）开发高靶向性、低免疫原性的新一代可电离脂质；

（2）探索“智能型”LNP，实现mRNA的时空可控释放；

（3）优化大规模生产工艺（如连续微流控技术），降低成本并提高批次一致性。

随着技术的不断突破，LNP有望推动mRNA疗法在肿瘤治疗、罕见病干预等领域的广泛应用，为全球生物医药产业带来新的变革。

参考文献

[1] Li X, Li J, Wei J, Du W, Su C, Shen X, Zhao A, Xu M. Design Strategies for Novel Lipid Nanoparticle for mRNA Vaccine and Therapeutics: Current Understandings and Future Perspectives. MedComm (2020). 2025 Oct 5;6(10):e70414. doi: 10.1002/mco2.70414