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不同混合結構對脂質納米顆粒的影響

來源：邁安納（上海）儀器科技有限公司 2025年02月26日 10:21

“本文探討了微反應器在脂質納米顆粒（LNPs）制備中的應用，重點研究了混合時間、顆粒形態及其對mRNA遞送效率的影響。通過優化混合條件，在T型微反應器和環形微反應器中均成功制備了具有相似尺寸、mRNA包封效率和空載LNP比例的mRNA負載LNPs。值得注意的是，兩種微反應器制備的LNPs在泡狀結構（bleb）的比例上存在顯著差異。T型微反應器產生了更高比例的泡狀LNPs，與mRNA完整性略有增強相關，而環形微反應器主要形成球形LNPs。體內外研究表明，球形和小尺寸的LNPs展現出更高的轉染效率，而泡狀LNPs在體內維持了更長的mRNA表達。這些發現為設計和優化針對特定治療和開發需求的微反應器提供了有價值的見解。”

示意圖

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結果與討論

1.1 LNP的制備與表征：

實驗采用兩種不同類型的微反應器——T型微反應器和環形微反應器，來制備mRNA負載的LNPs。首先，將含有mRNA的水溶液（檸檬酸鈉緩沖液，pH=4）與基于乙醇的脂質溶液分別通過注射泵注入微反應器中。在微反應器內部，這兩種溶液迅速混合，形成LNPs。通過優化操作條件，如總流速和流速比，實現了對LNP尺寸、形態和mRNA包封效率的有效控制。

為了對制備的LNP進行表征，采用了多種技術手段。通過動態光散射（DLS）測量了LNPs的粒徑分布，結果顯示，在快速混合條件下，兩種微反應器均能夠制備出尺寸較小且分布均勻的LNPs。此外，還利用低溫透射電子顯微鏡（Cryo-TEM）對LNPs的形態進行了觀察。Cryo-TEM圖像清晰地展示了LNPs的球形結構，以及在部分LNP表面存在的泡狀結構（bleb）。

圖一、混合結構示意圖，A-環型，B-T型

圖二、不同混合結構在不同混合條件下的混合效率評價

1.2 混合時間對LNP形成的影響：

混合時間是影響LNP形成的關鍵因素之一。為了評估混合時間對LNP制備過程的影響，計算了Damk?hler數（Da），它表示混合時間（t_m）與特征聚集時間（t_agg）的比值。當Da<1時，表明處于快速混合狀態，此時混合過程對納米顆粒的形成影響較小。實驗結果顯示，在兩種微反應器中，隨著總流速的增加，Damk?hler數逐漸減小，最終趨于穩定，說明混合性能足以滿足LNP制備的需求。

通過比較兩種微反應器的微混合時間（t_m）與雷諾數（Re）的關系，發現T型微反應器在較高的雷諾數下表現出更高的混合效率。這表明，在快速混合區域操作時，T型微反應器能夠更有效地實現兩種溶液的均勻混合，從而有利于形成更小、更均勻的LNPs。

圖三、不同混合結構在不同流速條件下制備得到的LNP的理化性質評價

1.3 LNP的形態與結構：

進一步的研究發現，兩種微反應器制備的LNPs在形態上存在顯著差異。具體而言，環形微反應器制備的LNPs中泡狀結構更為普遍，而T型微反應器制備的LNPs則相對更光滑、球形度更高。這種形態上的差異可能與微反應器的幾何結構以及混合過程中的流體動力學效應有關。

為了揭示LNP形成過程中的機制，對制備過程進行了詳細的考察。結果表明，在微反應器中，mRNA水溶液與乙醇基脂質溶液迅速混合后，形成了初步的LNP核。隨后，在稀釋過程中，脂質和mRNA進一步遷移，最終形成了具有泡狀結構的LNPs。這一發現為理解LNP的形態演變提供了重要線索。

圖四、T型的混合模擬

圖五、不同混合結構制備的LNP的結構表征

圖六、環形的混合模擬

1.4 mRNA遞送效率：

為了評估不同特性LNPs的mRNA遞送效率，選擇了四種具有代表性的LNPs進行了細胞轉染實驗。結果顯示，盡管這些LNPs在制備條件、微通道幾何形狀等方面存在差異，但它們的mRNA包封效率卻相近。然而，在細胞攝取實驗中，發現T型微反應器制備的LNPs（LNP-T）被HepG2細胞攝取的速度較慢于環形微反應器制備的LNPs（LNP-R）。這一結果表明，LNP的形態結構可能影響其細胞攝取效率。

進一步的分析發現，LNP-R具有更高的球形度和更少的泡狀結構，這可能使其更容易被細胞識別和攝取。此外，LNP-R還表現出更高的體外轉染效率，特別是在低劑量下。這些結果提示我們，通過優化LNP的形態結構，可以進一步提高其mRNA遞送效率。

圖七、不同樣品的體外細胞表征

圖八、不同樣品的體內細胞表達表征

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結論

本研究系統地探討了T型微反應器和環形微反應器中mRNA負載LNPs的制備過程，并評估了混合時間、顆粒形態對mRNA遞送效率的影響。結果表明，通過優化微反應器設計、操作條件和配方選擇，可以優化mRNA遞送系統，實現快速起效與持續表達的平衡，為特定治療應用提供有力支持。未來研究將進一步探索LNP結構與其生物學性能之間的精確關系，以及如何通過微反應器技術實現更精確的控制和優化。

參考文獻：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]

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