冷冻透射电镜开启了脂质纳米颗粒(LNPs)在药物递送方面的潜力

药物开发中的脂质纳米颗粒

脂质纳米颗粒（LNPs）已成为核酸类治疗剂和疫苗的有前景的载体。它们的设计和应用在很大程度上依赖于结构和形态特性，这些特性直接影响其功能、安全性和有效性。全面的表征对于设计高效的脂质纳米颗粒配方至关重要。在本博客中，我们将探讨这种表征的重要性以及冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）在LNP评估中的作用。

冷冻透射电子显微镜在脂质纳米颗粒表征中的优势

传统分析技术，如动态光散射（DLS）和纳米颗粒跟踪分析，可以对LNPs的尺寸和分布进行整体测量，但缺乏可视化单个纳米颗粒结构所需的分辨率。而冷冻透射电子显微镜则允许研究人员直接观察处于原生水合状态下的LNP，无需染色或固定。这种高分辨率成像能力能够实现：

• 精确的尺寸与形状分析cryo-TEM能够捕捉单个LNP的详细图像，揭示影响药物递送性能的粒径分布、多分散性和形态异质性。
• 包封效率评估：cryo-TEM可以揭示RNA在LNP中的装载和分布情况，为配方效率提供关键信息。
• 提升批次间一致性：可通过cryo-TEM评估制造工艺的变异性，有助于确保产品的可重复性和质量。
• 纳米结构洞察：对脂质相行为及LNP内部结构的理解有助于优化配方条件，提高稳定性和疗效。
• 工艺优化：来自cryo-TEM的洞见能够推动微流控混合、挤出等LNP制造技术的改进。

利用cryo-TEM进行新型颗粒表征正在推动我们对LNP结构的理解，这对于优化配方、提升RNA递送效率以及开发下一代纳米药物至关重要。

理解LNPs的结构-活性关系

LNPs的优化主要集中在多种可能提高转染效率的组分上，包括可离子化脂质、辅助脂质和PEG-脂质。然而，特定脂质结构在LNP-内体相互作用以及RNA递送至细胞质中的作用仍未被完全理解。

为了解决这一问题，布里斯托大学和莱顿大学的科学家们采用了理性设计的方法，工程化具有明确定义脂质超结构的LNPs。1通过使用冷冻电子断层扫描（cryo-ET）等先进成像技术，他们发现LNPs可以呈现出不同的内部结构，包括层状、液晶反六方相和混合脂质-RNA相，每种结构都在转染效率中起着关键作用（见图1）。这种方法还能够区分空载LNPs与包裹siRNA的LNPs，为LNPs设计优化及RNA治疗药物改进提供了关键见解（见图2）。

这项研究突显了直接冷冻透射电镜（cryo-TEM）可视化在推进我们对LNP结构-功能关系理解方面的重要作用。

应对内体逃逸的挑战

LNP mRNA复合物正在改变靶向治疗的递送方式，但诸如内体逃逸效率低、高毒性和组织中持续时间过长等问题限制了其应用。近期，已有多项研究提出了改善内体逃逸的解决方案。

深圳新科纳生物科技有限公司的一组科学家引入了一种新型阳离子聚合物胶束（cPM），与LNPs共同递送，结果显示能够改善内体逃逸并提高体内mRNA表达，同时不改变LNPs的性质。2冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）在确认cPM和LNP结构完整性方面发挥了重要作用，提供了关于纳米颗粒形态、尺寸分布和表面特征的详细见解（图3）。图像显示cPM呈近球形且表面粗糙，其颗粒尺寸比动态光散射（DLS）测量值更小。这种差异很可能是由于溶液中cPM发生聚集，而cryo-TEM通过在玻璃化状态下对单个颗粒进行成像，从而获得更准确的颗粒尺寸。这种精确性对于验证配方的质量和一致性至关重要。

推进LNP制造的精确颗粒表征

在纳米医学领域，开发可扩展且可重复的脂质纳米颗粒（LNP）生产方法是一项重大挑战。利用冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）对单个LNP颗粒进行可视化已被证明至关重要，使研究人员能够以极高的细节和精度仔细比较各种制造方法和技术，从而促进LNP生产工艺的优化。

莱顿大学和约翰内斯·古腾堡大学的科学家最近推出了一种具有成本效益的微流控平台CD，用于合成mRNA LNP，该平台允许在不影响质量的情况下进行精确调整。3对这些mRNA LNP进行冷冻电镜分析显示，微流控法制备的LNP更小、更均一，并具有有序的电子致密核心。缓冲液和离子强度影响囊泡形成和转染效率，而PEG-脂质浓度则影响颗粒大小。

癌症治疗与蛋白替代疗法的新型治疗方法

mRNA疫苗的快速成功使LNP成为核酸递送的重要载体。LNP也正在被探索用于癌症和代谢性疾病的靶向治疗，这需要针对反复给药并具最小免疫原性的配方进行优化。

西奈山伊坎医学院的研究人员开发了一种新型LNP-RNA抗原呈递平台，可重新利用SARS-CoV-2疫苗诱导的T细胞免疫来靶向癌症。4通过设计一系列氨基酸和氨基醇衍生可离子化脂质（AA脂质），他们能够制备出能高效直接递送至肿瘤部位的LNP配方。冷冻电镜在可视化这些工程化LNP结构完整性、形态及包封效率方面发挥了关键作用。

在另一项研究中，约翰内斯·古腾堡大学与马克斯·普朗克聚合物研究所的科学家们考察了LNP组成如何影响mRNA包封、稳定性、免疫反应及体内分布。5冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）显示，改变单个LNP组分会导致不同的结晶超微结构，包括双层结构、“囊泡”和多层颗粒，这些结构直接影响LNP的功能和稳定性（图4）。

结论

LNP是一种复杂体系，不同类型的核酸载体和脂质修饰可以创造具有不同特性的LNP。冷冻透射电子显微镜能够在颗粒水平分析LNP，因此对于其开发和表征至关重要。

随着对基于纳米颗粒药物递送系统监管力度的不断加强，冷冻透射电子显微镜已成为准确评估关键质量属性的重要工具。自动化图像处理、机器学习以及相关显微技术的发展，并结合如Thermo Scientific Amira软件等综合软件解决方案，进一步提升了冷冻透射电子显微镜在优化LNP方面的作用，有助于确保更安全、更有效治疗药物的开发。

参考文献

1. Pattipeiluhu, R, et al.Liquid crystalline inverted lipid phases encapsulating siRNA enhance lipid nanoparticle mediated transfection. Nat Commun 15, 1303 (2024). doi: 1038/s41467-024-45666-5
2. Deng, S, et al. Development of a Cationic Polymeric Micellar Structure with Endosomal Escape Capability Enables Enhanced Intramuscular Transfection of mRNA-LNPs. Vaccines13:25 (2025). doi: 3390/vaccines13010025
3. Johnson, NV, et al. On the Influence of Fabrication Methods and Materials for mRNA-LNP Production: From Size and Morphology to Internal Structure and mRNA Delivery Performance In Vitro and In Vivo. Adv Healthc Mater 13:26 (2024). doi: 1002/adhm.202401252
4. Xue, Y, et al. LNP-RNA-mediated antigen presentation leverages SARS-CoV-2-specific immunity for cancer treatment. Nat Commun 16:2198 (2025). doi: 1038/s41467-025-57149-2
5. Gambaro, R, et al. Optimizing mRNA-Loaded Lipid Nanoparticles as a Potential Tool for Protein-Replacement Therapy.Pharmaceutics 16:771 (2024). doi: 3390/pharmaceutics16060771