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pH-dependent structural transitions in cationic ionizable lipid mesophases are critical for lipid nanoparticle function

化学 结晶学 阳离子聚合 高分子化学
作者
Julian Philipp,Aleksandra P. Dabkowska,Anita Reiser,Kilian Frank,Rafał Krzysztoń,Christiane Brummer,Bert Nickel,Clément E. Blanchet,Akhil Sudarsan,Mohd Ibrahim,Svante Johansson,Pia Skantze,Urban Skantze,Sofia Östman,Marie Johansson,Neil Henderson,Kjetil Elvevold,Bård Smedsrød,Nadine Schwierz,Lennart Lindfors,Joachim Raedler
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (50) 被引量:6
标识
DOI:10.1073/pnas.2310491120
摘要

Lipid nanoparticles (LNPs) are advanced core-shell particles for messenger RNA (mRNA) based therapies that are made of polyethylene glycol (PEG) lipid, distearoylphosphatidylcholine (DSPC), cationic ionizable lipid (CIL), cholesterol (chol), and mRNA. Yet the mechanism of pH-dependent response that is believed to cause endosomal release of LNPs is not well understood. Here, we show that eGFP (enhanced green fluorescent protein) protein expression in the mouse liver mediated by the ionizable lipids DLin-MC3-DMA (MC3), DLin-KC2-DMA (KC2), and DLinDMA (DD) ranks MC3 ≥ KC2 > DD despite similar delivery of mRNA per cell in all cell fractions isolated. We hypothesize that the three CIL-LNPs react differently to pH changes and hence study the structure of CIL/chol bulk phases in water. Using synchrotron X-ray scattering a sequence of ordered CIL/chol mesophases with lowering pH values are observed. These phases show isotropic inverse micellar, cubic Fd3m inverse micellar, inverse hexagonal H II and bicontinuous cubic Pn3m symmetry. If polyadenylic acid, as mRNA surrogate, is added to CIL/chol, excess lipid coexists with a condensed nucleic acid lipid H II c phase. The next-neighbor distance in the excess phase shows a discontinuity at the Fd3m inverse micellar to inverse hexagonal H II transition occurring at pH 6 with distinctly larger spacing and hydration for DD vs. MC3 and KC2. In mRNA LNPs, DD showed larger internal spacing, as well as retarded onset and reduced level of DD-LNP-mediated eGFP expression in vitro compared to MC3 and KC2. Our data suggest that the pH-driven Fd3m- H II transition in bulk phases is a hallmark of CIL-specific differences in mRNA LNP efficacy.
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