mRNA疫苗传递技术 纳米脂质粒LNP的前世今生

脂质体（Liposome）最早在1961年由科学家Alec Douglas. Bangham 和 R. W. Horne在显微镜下发现。脂质体是由脂质分子组成的囊泡结构，其脂质双分子层形成疏水外壳和内部的水相空腔，兼具亲水和疏水特性。

这种特性使脂质体成为药物递送的理想载体。1995年，美国FDA批准了第一款脂质体药物Doxil®。Doxil® 通过HSPC/DMG-PEG双组分脂质体包裹药物阿黴素(doxorubicin)用于卵巢癌与乳腺癌化疗，以减低游离药物对其他器官的毒性1。 

在距离第一款脂质体药物诞生20年后，FDA于2018年通过了Onpattro®的药物许可。Onpattro®是一款通过脂质纳米粒（Lipid Nanoparticle）包裹核酸片段 (这里是siRNA) 的药物，用于治疗遗传性转甲状腺素蛋白介导的淀粉样变性的多发性神经病1 。从有机小分子到生物大分子，这是脂质纳米粒（lipid nanoparticle）在药物递送应用的重要里程碑。

在包裹核酸的脂质纳米粒配方中，起关键作用的是可电离脂质。例如Onpattro®中的Dlin-MC3-DMA（简称MC3），其pKa值在6.3-6.5 之间，这个特性让它在血清的环境中表面电荷基本为中性，有利于细胞将带有核酸片段的脂质纳米粒整个吞进细胞内，形成胞内体（endosome）。 一旦进入细胞后，胞内体的酸性环境使电离脂质的头部质子化并带正电荷，从而与胞内体的内膜融合，释放目标核酸到细胞中发挥作用2。

然而siRNA的成功经验并不能直接复制到mRNA上。只有数十个核苷酸的siRNA与数以千计核苷酸组成的mRNA在质量与结构上有巨大差异，需要搭配不同的可电离脂质才能实现有效封装和递送。关于新型可电离脂质的研究，一直伴随着mRNA的药物开发。科研人员在可电离脂质的碳链中引入酯键，使其更易被生物降解。而调整纳米颗粒中四种脂质的比例可以改变脂质纳米粒在体内的分布。

正是得益于前期关于mRNA的优化和脂质纳米粒的大量基础研究和测试，使得针对Covid-19新型冠状病毒的mRNA疫苗开发，从病毒序列到成功上市只用了短短一年不到的时间。这在从前是无法想象和实现的。在这次针对Covid-19新型冠状病毒的mRNA疫苗上，莫德纳(Moderna)采用了自主开发的可电离脂质SM-102，而辉瑞和BioNTech则从Acuitas公司获得了一种名为ALC-0315的可电离脂质的许可2。

目前常用的脂质纳米粒制备方法主要有薄膜水化法、挤出法、均质法等。但是最适合的技术还是采用微流控混合技术来制备核酸脂质纳米粒，该方法相对简便快速，条件温和，同时容易实现生产放大。将各种脂质溶解在乙醇中，mRNA溶于酸性水缓冲液中，将两相快速混合。通过稀释乙醇相，脂质的溶解度降低，在混合溶液中逐渐析出凝固并形成脂质纳米粒，同时高效包载mRNA。再经缓冲液膜包超滤或者透析除去残留的乙醇，中和缓冲液的pH值。目前，商业化生产大批mRNA/LNP利用微流体Y型入口混合，作为新型的微流体设备，该制备方法快速简便，对于疫苗这类小剂量药物具有明显优势。目前市面上的常见的微流体设备厂家有Precision NanoSystems（PNI），PreciGenome公司以及Dolomite Microfluidics公司。

PreciGenome 的 NanoGenerator™ 采用微流体方法以连续模式合成纳米粒子。该系统已广泛使用于药物递送领域的脂质纳米颗粒（LNP）、脂质体、PLGA聚合物纳米颗粒等。由于对尺寸和形状的卓越控制，通过微流体技术合成的mRNA 脂质纳米颗粒比传统的合成工艺更具优势，具有批次一致性良好、粒径可控、超低的PDI值、并且包封效果可达90%以上等优点。PreciGenome可根据客户要求合成定制脂质纳米粒，例如配方设计、内容物封装、GMP认证生产等，满足客户的各种生产需求。

1.Thi, T.T.H.; Suys, E.J.A.; Lee, J.S.; Nguyen, D.H.; Park, K.D.; Truong, N.P. Lipid-Based Nanoparticles in the Clinic and Clinical Trials: From Cancer Nanomedicine to COVID-19 Vaccines. Vaccines 2021, 9, 359. https:// doi.org/10.3390/vaccines9040359

2.Cross, R. Without these lipid shells, there would be no mRNA vaccines for COVID-19. C&EN 2021, 99.https://cen.acs.org/magazine/99/09908.html