不同混合结构对脂质纳米颗粒的影响

2025年02月26日 10:21 来源：迈安纳（上海）仪器科技有限公司

“本文探讨了微反应器在脂质纳米颗粒（LNPs）制备中的应用，重点研究了混合时间、颗粒形态及其对mRNA递送效率的影响。通过优化混合条件，在T型微反应器和环形微反应器中均成功制备了具有相似尺寸、mRNA包封效率和空载LNP比例的mRNA负载LNPs。值得注意的是，两种微反应器制备的LNPs在泡状结构（bleb）的比例上存在显著差异。T型微反应器产生了更高比例的泡状LNPs，与mRNA完整性略有增强相关，而环形微反应器主要形成球形LNPs。体内外研究表明，球形和小尺寸的LNPs展现出更高的转染效率，而泡状LNPs在体内维持了更长的mRNA表达。这些发现为设计和优化针对特定治疗和开发需求的微反应器提供了有价值的见解。”

示意图

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结果与讨论

1.1 LNP的制备与表征：

实验采用两种不同类型的微反应器——T型微反应器和环形微反应器，来制备mRNA负载的LNPs。首先，将含有mRNA的水溶液（柠檬酸钠缓冲液，pH=4）与基于乙醇的脂质溶液分别通过注射泵注入微反应器中。在微反应器内部，这两种溶液迅速混合，形成LNPs。通过优化操作条件，如总流速和流速比，实现了对LNP尺寸、形态和mRNA包封效率的有效控制。

为了对制备的LNP进行表征，采用了多种技术手段。通过动态光散射（DLS）测量了LNPs的粒径分布，结果显示，在快速混合条件下，两种微反应器均能够制备出尺寸较小且分布均匀的LNPs。此外，还利用低温透射电子显微镜（Cryo-TEM）对LNPs的形态进行了观察。Cryo-TEM图像清晰地展示了LNPs的球形结构，以及在部分LNP表面存在的泡状结构（bleb）。

图一、混合结构示意图，A-环型，B-T型

图二、不同混合结构在不同混合条件下的混合效率评价

1.2 混合时间对LNP形成的影响：

混合时间是影响LNP形成的关键因素之一。为了评估混合时间对LNP制备过程的影响，计算了Damköhler数（Da），它表示混合时间（t_m）与特征聚集时间（t_agg）的比值。当Da<1时，表明处于快速混合状态，此时混合过程对纳米颗粒的形成影响较小。实验结果显示，在两种微反应器中，随着总流速的增加，Damköhler数逐渐减小，最终趋于稳定，说明混合性能足以满足LNP制备的需求。

通过比较两种微反应器的微混合时间（t_m）与雷诺数（Re）的关系，发现T型微反应器在较高的雷诺数下表现出更高的混合效率。这表明，在快速混合区域操作时，T型微反应器能够更有效地实现两种溶液的均匀混合，从而有利于形成更小、更均匀的LNPs。

图三、不同混合结构在不同流速条件下制备得到的LNP的理化性质评价

1.3 LNP的形态与结构：

进一步的研究发现，两种微反应器制备的LNPs在形态上存在显著差异。具体而言，环形微反应器制备的LNPs中泡状结构更为普遍，而T型微反应器制备的LNPs则相对更光滑、球形度更高。这种形态上的差异可能与微反应器的几何结构以及混合过程中的流体动力学效应有关。

为了揭示LNP形成过程中的机制，对制备过程进行了详细的考察。结果表明，在微反应器中，mRNA水溶液与乙醇基脂质溶液迅速混合后，形成了初步的LNP核。随后，在稀释过程中，脂质和mRNA进一步迁移，最终形成了具有泡状结构的LNPs。这一发现为理解LNP的形态演变提供了重要线索。

图四、T型的混合模拟

图五、不同混合结构制备的LNP的结构表征

图六、环形的混合模拟

1.4 mRNA递送效率：

为了评估不同特性LNPs的mRNA递送效率，选择了四种具有代表性的LNPs进行了细胞转染实验。结果显示，尽管这些LNPs在制备条件、微通道几何形状等方面存在差异，但它们的mRNA包封效率却相近。然而，在细胞摄取实验中，发现T型微反应器制备的LNPs（LNP-T）被HepG2细胞摄取的速度较慢于环形微反应器制备的LNPs（LNP-R）。这一结果表明，LNP的形态结构可能影响其细胞摄取效率。

进一步的分析发现，LNP-R具有更高的球形度和更少的泡状结构，这可能使其更容易被细胞识别和摄取。此外，LNP-R还表现出更高的体外转染效率，特别是在低剂量下。这些结果提示我们，通过优化LNP的形态结构，可以进一步提高其mRNA递送效率。

图七、不同样品的体外细胞表征

图八、不同样品的体内细胞表达表征

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结论

本研究系统地探讨了T型微反应器和环形微反应器中mRNA负载LNPs的制备过程，并评估了混合时间、颗粒形态对mRNA递送效率的影响。结果表明，通过优化微反应器设计、操作条件和配方选择，可以优化mRNA递送系统，实现快速起效与持续表达的平衡，为特定治疗应用提供有力支持。未来研究将进一步探索LNP结构与其生物学性能之间的精确关系，以及如何通过微反应器技术实现更精确的控制和优化。

参考文献：Chen, D., Liu, Z., Guo, L., et al. (2025). Controlled preparation of lipid nanoparticles in microreactors: Mixing time, morphology and mRNA delivery. Chemical Engineering Journal, 505, 159318. [DOI: 10.1016/j.cej.2025.159318]

关键词：微反应器制LNPs

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