RNA疫苗及其他核酸疗法通常需要包裹在被称为脂质纳米颗粒（LNP）的脂肪分子中运输。麻省理工学院（MIT）研究人员近日开发出一种能够更快速生产这些颗粒的新方法，并能更精确地控制其尺寸和形状。
研究人员表示，这一无需人工干预即可自动运行的新工艺，有望大幅加快新型RNA和DNA疗法的开发进程。
MIT博士后、该研究的主要作者之一塞德里克·德沃斯（Cedric Devos）表示："这种方法可以帮助你在拿到颗粒并测试哪种效果最佳之前，先确定生成特定尺寸和形状属性所需的参数，这可能会成为一个相当强大的开发工具。"
当前设计新型脂质纳米颗粒的方法通常需要耗时的试错实验，而对颗粒理想尺寸和形状的探索十分有限。调控LNP的尺寸和形状，可以为靶向不同器官和组织提供可能性。
MIT化学工程系教学教授、该新研究的资深作者艾伦·迈尔森（Allan Myerson）表示："此前任何生产方法都无法可靠地控制LNP的尺寸和形状。这个问题乍看之下似乎很简单，但实际上需要对脂质纳米颗粒的组装过程有深刻理解。"
MIT博士后阿尼克特·乌德普尔卡（Aniket Udepurkar）和彼得·萨格迈斯特（Peter Sagmeister）也是这篇论文的主要作者，该论文今日发表于《ACS Nano》期刊。
更精确的控制
基于mRNA的疫苗通过向细胞传递指令，使其生产出无害版本的病毒蛋白，从而促使免疫系统产生应答。然而，如果mRNA单独注射，很快就会在体内被降解。
德沃斯说："这些确实是革命性的疗法类型，但它们需要某种递送载体，才能将其带到体内正确的细胞。"
对于mRNA新冠疫苗和其他mRNA疗法，科学家们一直使用脂质纳米颗粒来完成这种包裹。LNP通常由四种成分组成——可电离脂质、磷脂、胆固醇，以及连接有聚乙二醇（PEG）分子的脂质，后者有助于稳定LNP结构。
制备这些颗粒时，需要将两股流体以高速混合。其中一股是悬浮在乙醇中的脂质分子，另一股则是溶解在酸性缓冲液中的mRNA。
不过，这两种溶液并非以相同流速混合。相反，mRNA溶液的量大约是脂质溶液的三倍。这种不均等的比例有助于促进含有mRNA的脂质纳米颗粒形成，但无法精确控制颗粒的尺寸或形状。
在去年发表于《ACS Nano》的一项研究中，MIT团队展示了他们可以通过将混合过程分解为两个步骤，来实现对颗粒尺寸更好的控制。
在第一步中，mRNA和脂质以相同流速混合。随后，经过短暂延迟后，加入更多缓冲液，从而终止颗粒的生长。延迟时间越长，产生的颗粒越大。
德沃斯说："这使你能够灵活调整停留时间，也就是第一个混合器和第二个混合器之间的时间间隔。如果停留时间很长，意味着颗粒会大量生长。如果时间很短，就能保持颗粒较小。这为脂质纳米颗粒的生产提供了一个此前不存在的调控杠杆。"
在那项研究中，研究人员还展示了他们可以改变颗粒的形状。通过改变第二步中加入的缓冲液浓度，他们能够将颗粒从球形转变为类似鳄梨形状的拉长颗粒。
改变延迟停留时间和改变缓冲液成分这两种干预手段，都能使研究人员在不改变LNP其他组成成分的前提下，控制颗粒的尺寸和形状。
全自动化流程
在这篇新发表的《ACS Nano》论文中，研究人员开发出一种方法，将两步混合过程实现自动化。他们还整合了一种商用动态光散射设备，可以在颗粒形成过程中实时测量其尺寸。
该项目还凸显了MIT本科生研究机会计划（UROP）的作用。萨格迈斯特说："通过该项目，应用数学与计算机科学专业的本科生乔伊·任（Joy Ren）、索菲亚·丘比奇（Sofiya Chubich）和迪伦·阮（Dylan Nguyen）获得了实践经验，学习了如何将先进的软件工程与化学工程相结合，从而开发出用于LNP工艺开发的自动化平台。"
借助这套自动化系统，研究人员可以指定所需的颗粒尺寸，系统便会生成相应尺寸的颗粒。系统还会对生成的颗粒进行测量，确保尺寸准确，如果不符合要求，则会调整延迟时间等因素，将颗粒引导至正确尺寸。
萨格迈斯特说："第一篇论文真正开启了制造脂质纳米颗粒的新方法，实现了按尺寸和形状对其进行真正的工程化设计。而在第二项研究中，我们实现了整个流程的自动化。"
该系统同样能够生产不同形状的颗粒，但对这些形状的测量仍需在自动化系统之外进行。
借助这一方法，研究人员得以在比目前快得多的时间尺度上，研究改变系统输入参数对颗粒尺寸和形状的影响。随后，研究人员利用这些实验中收集到的数据训练了一个机器学习模型，该模型能够预测生成特定尺寸或形状所需的因素组合。
采用这种方法，RNA疗法开发者将能更轻松地生成不同尺寸的颗粒，以便针对特定应用进行测试。控制脂质纳米颗粒的尺寸至关重要，因为颗粒的尺寸决定了它最有可能在体内到达的位置。
德沃斯说："如果你制造一种目标尺寸为150纳米的LNP疗法，再制造一种70纳米的，其他条件都相同，它们的表现会截然不同。"
研究人员已就这项技术申请了专利，目前正通过一家名为BIZON Labs的新公司推进商业化进程。该团队最初获得了MIT马丁信托创业中心研究者转企业家（R2E）项目的支持，此后又入选了MIT旗舰加速器项目delta v。这项研究由美国食品药品监督管理局以及美国国家癌症研究所旗下科赫研究所核心资助项目提供资金支持。部分研究工作是借助MIT.nano的设施完成的。
Q&A
Q1：脂质纳米颗粒（LNP）在RNA疗法中起什么作用？
A：LNP是包裹RNA疫苗及其他核酸疗法的脂肪分子载体，能够保护mRNA不被人体迅速降解，并将其递送至体内正确的细胞，是RNA疗法不可或缺的递送载体。
Q2：这项新技术如何控制脂质纳米颗粒的尺寸和形状？
A：研究人员通过将混合过程分解为两步，第一步以相同流速混合mRNA和脂质，随后延迟加入更多缓冲液终止颗粒生长；调整延迟时间可控制颗粒大小，调整缓冲液浓度可改变颗粒形状，且整个过程已实现自动化。
Q3：为什么脂质纳米颗粒的尺寸控制很重要？
A：颗粒的尺寸决定了它在体内最可能到达的位置，即使成分完全相同，不同尺寸的LNP疗法表现也会截然不同，因此精确控制尺寸有助于针对不同器官和组织实现靶向治疗。
