Adv Mater丨夏宇飛、任瑛等解析LNP組裝動力學過程，引入短程相互作用力實現mRNA組裝-釋放可控

mRNA-LNP技術正在引領治療手段的深刻變革。脂質納米顆粒（LNP）在mRNA遞送中，其技術核心始終面臨“封裝”與“釋放”的固有矛盾。可電離脂質作為LNP的功能核心，其電荷隨環境pH變化的特性，是理解這一競爭中協調的關鍵。在酸性環境下，可電離脂質質子化帶正電荷，通過靜電相互作用（長程力）與負電mRNA緊密結合，實現穩定封裝并有效保護mRNA免受降解。當LNP被細胞攝取進入內涵體后，酸性內涵體環境進一步促進可電離脂質質子化，這不僅增強其與內涵體膜的相互作用，也是mRNA高效胞質釋放的關鍵步驟。然而，單純依賴長程力容易導致可電離脂質與mRNA結合過緊，阻礙mRNA釋放，降低蛋白表達效率。研究顯示，即便是較小的siRNA（約20 nt），最終成功進入胞質的比例也僅約為1–2%。對于分子量更大、結構更復雜的mRNA（常超過4000 nt），實現高效胞內遞送更具挑戰性。

為此，中國科學院過程工程研究所夏宇飛研究員、任瑛副研究員等通力合作，通過分子動力學模擬與實驗結合的方法，構建了一種以“接觸數（contact number）”量化LNP與mRNA的結合程度的動力學演化過程，以指導可電離脂質的理性設計。研究發現通過引入氫鍵供體集團（如脲基、氨基甲酸酯），可以增強短程力以補強靜電網絡，降低可電離脂質劑量、減少核酸空包率、提升mRNA釋放效率，在mRNA帶狀皰疹疫苗、腫瘤疫苗和在體基因編輯模型中均獲得了優于商品化LNP的mRNA表達效果與生物效應。相關論文Resolving the mRNA Encapsulation-Release Trade-off via Compensatory Forces in Engineered Ionizable Lipids已發表于國際期刊Advanced Materials。

為協同以上組裝-釋放的互斥微觀過程，本研究交叉融合計算機模擬與實驗技術，深入探索了mRNA-LNP的組裝動力學過程，構建了一套融合粗粒度分子動力學（CGMD）與全原子分子動力學（AAMD）模擬的計算-實驗聯合分析框架。在此框架下，提出了“接觸數”以量化可電離脂質（IL）與mRNA之間的結合效率，多尺度解析mRNA和LNP之間的結合特性。進一步發現，在脂質中引入氫鍵供體基團（如：脲基、氨基甲酸酯等）可以引入短程作用力增強靜電作用網絡。分子模擬結果表明，相較于臨床基準ALC0315，引入脲基的GT30脂質與mRNA的接觸數提升了7.6%，且兩者之間的氫鍵數量達到ALC0315的2.5倍。

在酸性封裝環境下，短程相互作用與庫侖力協同作用，共同增強了mRNA的封裝穩定性，實現了可電離脂質用量減少達30%，有望降低高劑量可電離脂質帶來的毒性；進一步地，在生理中性環境下，隨著庫侖力減弱，短程相互作用則主導了解離過程，從而有效促進了mRNA的快速釋放。通過設計合成一系列具有不同短程相互作用基團的可電離脂質（IL）變體（如含脲基的GT30與含醚鍵的GT35），并在分子、分子聚集體、顆粒和宏觀遞送系統等多個尺度上開展了系統的實驗驗證，全面評估了其改善mRNA遞送效果的機制與性能。

1. 分子間相互作用驗證

核磁共振分析：GT30與mRNA混合后，其核磁共振譜中特征峰出現明顯的低場位移（δ ≈ 1.35 ppm），這表明脲基的引入顯著增強了與mRNA之間的氫鍵形成。作為對比，含醚鍵的GT35僅引起輕微位移（δ ≈ 1.24 ppm），說明其相互作用較弱。

原子力顯微鏡：探針測試顯示，GT30-LNPs在穿刺和回撤過程中表現出更強的內聚力（0.086 ± 0.009 nN），并伴有明顯的力波動，說明其內部結構更為緊密有序，分子間作用力動態且活躍。

同步輻射小角X射線散射：GT30-LNPs呈現出更緊湊的層狀結構，散射強度更高，層間重復距離更小（46 ?，對比基準的52 ?）。尤其在40%脂質比例下，這種結構優勢更為顯著，為mRNA的穩定封裝提供了物理基礎。

2. 顯著降低核酸空包率

GT30制備的LNP中，空載顆粒的比例僅為2%，遠低于GT35的10% 和臨床基準ALC0315的5.7%。這表明強短程相互作用有效提升了mRNA的封裝效率。

3. 釋放與表達有效提升

在模擬細胞質環境的生理條件下，GT30-LNPs（40%脂質比例）在12小時內表現出快速的mRNA釋放動力學，而傳統配方釋放緩慢。這表明短程相互作用在生理pH下能有效促進mRNA的釋放。肌肉注射實驗表明，GT30-LNPs介導的熒光素酶報告基因表達信號強度是基準方案的1.8倍。此外，強效的短程相互作用使得在配方中降低脂質比例成為可能，有助于減少潛在副作用。本團隊基于前期研究，進一步設計并合成了一系列結構新穎的OT脂質分子。其中，OT13在保留可電離叔胺頭基以維持pH響應性質子化能力的同時，特異性引入了可形成強短程相互作用的脲基官能團。帶狀皰疹疫苗模型與黑色素瘤治療模型共同指明OT13-LNP有效激活強大的細胞免疫應答，在腫瘤治療實驗中效果顯著。

表 1 OT13-LNPs在疫苗與腫瘤治療中的效果

評估模型

檢測指標

OT13-LNPs效果

(相較于OT01對照組)

核心意義

帶狀皰疹疫苗模型

gE抗原特異性IFN-γ+ T細胞

提高至3.1倍

表明其誘導細胞免疫應答的能力顯著增強

產生IL-2+的T細胞

提高至2.9倍

反映T細胞活化與增殖能力更強

CD8+ T細胞擴增與效應記憶T細胞(TEM)

顯著增強，效應記憶T細胞增加1.6倍

提示可能產生更持久的免疫保護

黑色素瘤治療模型

腫瘤體積抑制

減少77.9%

顯示出強大的抗腫瘤效果

中位生存期

延長至38天 (顯著優于對照組)

具有重要的實際治療價值

研究團隊通過系統性的體內實驗評估了OT13-LNPs的肝臟靶向性與治療潛力。熒光素酶報告基因實驗表明，OT13-LNPs在肝臟中的 表達強度達到OT01-LNPs的2.0倍，且與臨床基準脂質ALC0315的效果相當，證實其高效的肝內遞送能力。

進一步利用Cre-LoxP Ai9報告基因小鼠模型分析顯示，OT13-LNPs具備廣譜肝細胞轉染能力：可高效靶向肝血竇內皮細胞（82.1%）、肝細胞（29.7%）和Kupffer細胞（93.8%），凸顯其多細胞類型覆蓋優勢。

在CRISPR-Cas9介導的基因編輯實驗中，OT13-LNPs在0.5 mg/kg的低劑量下即可實現與ALC0315相當的TTR基因編輯效率。然而，其功能性輸出顯著更優：OT13-LNPs治療后血清TTR蛋白水平降低超過90%，遠超ALC0315-LNPs約58%下降率。這一結果說明，OT13-LNPs不僅具備高效編輯能力，更通過優化釋放特性顯著增強靶蛋白的沉默效果。

圖 1 破譯IL/mRNA相互作用，指導LNP理性設計

中國科學院過程 工程研究所博士生高煒翔、安康、馬藝珊為共同第一作者；夏宇飛研究員、任瑛副研究員、黃簫喃項目研究員為本文的共同通訊作者。

文章鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202512235

夏宇飛課題組（中國科學院過程工程研究所）：聚焦疫苗黏膜佐劑、腫瘤疫苗、mRNA遞送系統及其組裝和遞送微觀過程研究。歡迎已獲得或短期內可獲得化學、生物、或工程等相關專業博士學位的有志科研之士申請博士后及科研助理職位。優秀者推薦申請“特別研究助理”計劃，具體待遇面議。申請者請投遞個人簡歷。

任瑛課題組（中國科學院過程工程研究所）：聚焦生物大分子、乳液、聚合物、復合材料等復雜分子體系的先進模擬方法構建和相關工業應用研究。歡迎已獲得或短期內可獲得計算化學、計算生物學、計算物理學等相關專業博士學位的有志科研之士申請博士后及科研助理職位。優秀者推薦申請“特別研究助理”計劃，具體待遇面議。申請者請投遞個人簡歷。

簡歷投遞（ 有意者請將個人簡歷等材料發至 ）：

https://jinshuju.net/f/ZqXwZt或掃描二維碼投遞簡歷

制版人：十一

BioArt

Med

Plants

人才招聘

學術合作組織

（*排名不分先后）

轉載須知

【非原創文章】本文著作權歸文章作者所有，歡迎個人轉發分享，未經作者的允許禁止轉載，作者擁有所有法定權利，違者必究。