mRNA-Based FRET-FLIM Imaging Platform for Quantifying Lipid Nanoparticle Endosomal Escape and Membrane Damage

化学 内体 费斯特共振能量转移 生物物理学 胞浆 小泡 活体细胞成像 信使核糖核酸 内吞循环 细胞内 细胞生物学 荧光 内吞作用 生物化学 细胞 生物 基因 量子力学 物理
作者
Yian Fang,Bin Ma,Zhiqiang Zhao,Zhenyu Xuan,Yu Wang,Chuanshu Huang,Mi Zhang,Lei Zhou,Yao Feng,Kailong Li,Wei You,Xinglin Yang,Jiajia Guo,Yifan Ge,Chenzhong Liao,Yiguang Wang,Lei Miao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (34): 30907-30923 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.5c07897
摘要

Efficient endosomal escape and membrane damage are crucial for mRNA-lipid nanoparticle (LNPs) delivery but remain challenging to quantify. Here, we develop FRET-lifetime imaging for mRNA-LNP tracking (FLINT), an intramolecular FRET-FLIM platform to dynamically monitor mRNA release kinetics and endosomal damage in live cells. Capitalizing on the 50- to 100-fold higher concentration of glutathione (GSH) in the cytosol relative to endocytic vesicles, the FLINT employs disulfide-linked fluorophores conjugated to mRNA uridines, enabling precise tracking of cytosolic mRNA via GSH-activated signal amplification (20-50×). Using FLINT, we find that LNPs with escape-favorable lipid compositions (e.g., C12-200) exhibit rapid FRET signal diffusion, while uptake-driven LNPs (e.g., MC3) accumulate in endosomes with limited release. FLINT further reveals GSH influx during endosomal damage and correlates membrane rupture patterns with mRNA expression. Additionally, FLINT uncovers the influence of lipid organization within LNPs─in addition to endosomal membrane damages─on mRNA delivery efficiency. This FLINT platform decouples uptake, escape, and structural determinants of delivery efficiency, offering a transformative tool for LNP optimization and mechanistic studies both in vivo and in vitro.
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