近日，哈尔滨医科大学基础医学院生物化学与分子生物学教研室刘卓副教授团队与上海交通大学洪亮教授团队合作，在国际知名期刊《Journal of Controlled Release》（2025，IF=11.5）上发表最新研究成果。该研究通过创新结合中子散射与纳米流式技术，实现在含空载脂质纳米颗粒混合体系中载药mRNA脂质纳米颗粒（mRNA-LNP）的精准结构表征，并建立了更准确的结构模型。该成果为优化mRNA-LNP制剂设计、提升递送效率和稳定性，以及制定更合理的质量控制标准提供了关键的结构基础。
脂质纳米颗粒（LNP）作为mRNA疫苗和药物的先进递送载体，在生物医药领域有着广泛的应用。LNP通常由可电离阳离子脂质、辅助磷脂、胆固醇和聚乙二醇化脂质组成，其内部结构和脂质分布直接影响mRNA的封装效率、递送效率和稳定性。小角中子散射（SANS）是研究LNP内部结构的强有力工具。然而，以往基于SANS的结构研究大多默认样品中所有颗粒都装载了mRNA，忽视了空载LNP的存在。近期研究表明，商用微流控制备的mRNA-LNP样品中，空载颗粒的比例可高达30%甚至更多。这些“空包”的存在使得传统SANS分析获得的数据是载药颗粒和空载颗粒的“混合信号”，导致对载药mRNA-LNP真实结构的误判。
刘卓副教授团队与上海交通大学洪亮教授团队合作，针对这一关键瓶颈问题开展了系统研究：
1. 精准量化空载比例：团队首先利用高灵敏度的纳米流式细胞术（NanoFCM），对其制备的mRNA-LNP样品进行单颗粒检测。通过荧光标记和侧散射信号区分载药与空载颗粒，精确测定样品中空载LNP的比例约为30%。
2. 创新“减法式”结构解析：团队利用中国散裂中子源（CSNS）的微小角中子散射（VSANS）技术，分别对空载LNP样品和包含两者（约70%载药+30%空载）的混合mRNA-LNP样品进行了不同D2O/H2O比例溶剂下的多衬度测量。进一步，基于测定的空载颗粒比例，团队开创性地从混合样品的VSANS数据中“减去”了空载LNP的贡献，从而成功分离出仅反映载药mRNA-LNP结构的散射信号。
3. 建立精准结构模型：通过对分离出的载药颗粒VSANS数据进行建模分析，并结合冷冻电镜（Cryo-EM）和小角X射线散射（SAXS）等表征手段，团队首次在考虑空载颗粒干扰的前提下，分别构建了空载LNP和载药mRNA-LNP的核壳结构模型。
通过对比空载LNP和载药mRNA-LNP的结构参数，研究发现两种纳米颗粒在脂质分布和外壳厚度上高度相似，表明mRNA的封装主要影响颗粒核心区域。然而，两者在内核尺寸和溶剂含量上存在显著差异，尤其是在内核脂质区室含水量上，载药mRNA-LNP溶剂（水）体积分数高达约20%，远高于空载LNP颗粒的约3%。这主要归因于亲水性mRNA分子引入了更多水分子。基于上述发现，团队提出了针对不同研究目的的LNP结构表征策略建议：如果关注外壳厚度和脂质分布，可通过对混合样品进行SANS分析获得可靠信息；如果想要精确获得内核溶剂含量，则必须考虑并扣除空载颗粒的贡献。
更为重要的是，本研究建立的精准结构解析方法及获得的新模型对mRNA疫苗的理性设计、长期存储和质量控制都有着直接的指导作用。例如，空载LNP内核脂质区内更低的含水量和更小的尺寸使其阳离子可电离脂质密度更高，可能影响其在酸性环境（如内涵体）中的膜融合行为，有助于帮助人们理解空载LNP可能具有的“佐剂效应”或对载药颗粒内涵体逃逸的潜在辅助作用。相反，载药mRNA-LNP更高的内核溶剂含量可能影响其冷冻干燥过程中的稳定性（渗透压导致破裂风险）以及储存期间mRNA和阳离子脂质的水解速率，这为优化LNP的冻干工艺和长期储存方案提供了理论依据。此外，本研究强调了精确量化空载LNP比例对于准确解读结构数据和评估产品质量的重要性，为制定更合理的mRNA-LNP药物质量控制标准（如空载颗粒上限、溶剂含量范围）提供了科学支撑。
通讯作者：刘卓，哈医大基础医学院生物化学与分子生物学教研室副教授，博士生导师；洪亮，上海交通大学自然科学研究院教授，博士生导师。
第一作者：陈晓霞，叶永峰，李梦荣。
本研究收到哈尔滨医科大学高层次引进人才科研启动金，国家自然科学基金青年项目(12204302)，上海市自然科学基金面上项目 (23ZR1431700)的经费支持。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168365925007047
