カチオン性脂質mRNAナノ粒子のpH依存性相挙動と安定性

mRNAを含む脂質ナノ粒子（LNP）は、ワクチンまたはタンパク質補充療法として使用するために、細胞に遺伝物質を供給できます。緑色蛍光タンパク質（EGFP）mRNAを含むカチオン性LNPに対する溶液pHの効果とそのトランスフェクション効率を特徴づけました。mRNA LNPの構造的およびコロイド特性を、溶液中にmRNAおよびmRNAを含まないLNPと比較しました。生物物理学的手法の組み合わせを使用して、経験的位相図（EPD）の形でpHと温度を超えた脂質とmRNAの構造の画像を構築しました。フーリエトランスフォーム赤外線（FTIR）分光法と微分走査熱量測定の組み合わせを使用して、脂質相の挙動を調査しました。mRNA-LNPは、カチオン性脂質のPKAの下のpH値での逆六角相からPKAの上の層状相に移行します。より高い温度では、mRNA-LNPは逆六角相からラメラ相に移行し、逆六角相がより熱力学的に好ましいことを示しています。循環二色性に基づいて、LNP内のmRNAは、脂質PKA以下のpH値でより上のpH値でより多くの形式を持っています。光学密度、ゼータ電位、動的光散乱測定を使用して、mRNA-LNPのコロイド安定性を調べました。粒子はより大きく、PKAの下に凝集しやすくなりました。生物物理学的特性を4°Cおよび25°Cの溶液中の粒子の貯蔵に関連付けるために、安定性研究が実施されました。mRNA-LNPは、PKA未満のpH値で最も高いトランスフェクション効率と安定性を示しました。ただし、非常に低いpHでは粒子が凝集しやすいため、安定性と凝集傾向の間にトレードオフがありました。運動実験を行い、pH依存性相の挙動の時間尺度が遅い（6時間の移行）、層状から逆六角相への遷移が不可逆的であることを示しました。これは、ラメラ相の安定性が低く、速度論的に閉じ込められていることを示唆しています。私たちの調査結果は、mRNA-LNPの構造的理解を深め、関連する製剤の開発を支援します。

Lipid nanoparticles (LNPs) containing mRNA can deliver genetic material to cells for use as vaccines or protein replacement therapies. We characterized the effect of solution pH on cationic LNPs containing green fluorescent protein (EGFP) mRNA and their transfection efficiency. We compared the structural and colloidal properties of mRNA LNPs with LNPs not containing mRNA and mRNA free in solution. We used a combination of biophysical technique to build a picture of the structure of the lipids and mRNA across pH and temperature in the form of an empirical phase diagram (EPD). A combination of Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy and differential scanning calorimetry was used to investigate lipid phase behavior. The mRNA-LNPs transition from an inverse hexagonal phase at pH values below the pKa of the cationic lipid to a lamellar phase above the pKa. At higher temperatures the mRNA-LNPs also transitioned from an inverse hexagonal phase to a lamellar phase indicating the inverse hexagonal phase is more thermodynamically favorable. Based on circular dichroism, the mRNA within the LNP has more A form structure at pH values below the lipid pKa than above it. Optical density, zeta potential and dynamic light scattering measurements were used to probe the colloidal stability of the mRNA-LNPs. The particles were larger and more prone to aggregation below the pKa. A stability study was performed to relate the biophysical characteristics to the storage of the particles in solution at 4 and 25 °C. mRNA-LNPs had the highest transfection efficiency and stability at pH values below the pKa. However, there was a trade-off between the stability and aggregation propensity since at very low pH the particles were most prone to aggregation. We performed kinetic experiments to show that the time scale of the pH-dependent phase behavior is slow (6 hour transition) and the transition from lamellar to inverse hexagonal phases is irreversible. This suggests that the lamellar phase is less stable and kinetically trapped. Our findings deepen our structural understanding of mRNA-LNPs and will aid the development of related formulations.