👇
深度解读
在本系列的前几篇文章中，我们已经了解到，无论是外部环境压力还是内部脂质的“不匹配”，都可能导致LNP表面形成“Bleb”结构。这自然引出了我们心中最大的疑问：这个神秘的“小房间”里，到底装了什么？今天，Moderna的科学家们将用“眼见为实”的证据，通过一把精妙的“分子钥匙”，首次为我们打开这个房间的门，揭示mRNA的真实“住所”。今天，我们就聚焦一篇发表于《Biophysical Journal》的重磅研究，由Moderna 公司的Mark L. Brader 与Lin Jin 团队带来的：“Encapsulation state of messenger RNA inside lipid nanoparticles”。
这项工作可谓是为当前最火热的mRNA递送技术提供了一块“纳米级罗塞塔石碑”。它解决了一个领域内长期悬而未决的核心痛点：mRNA分子在脂质纳米粒（LNP）这个复杂的“房子”里，究竟“住”在哪个房间？研究团队另辟蹊径，巧妙地使用了一种能渗透LNP并特异性结合mRNA的阳离子染料——硫堇（Thionine）作为“分子探针”，在低温电子显微镜（Cryo-EM）下成功“点亮”了mRNA的位置。研究突破性地发现，mRNA并非总是与脂质紧密混合，而常常存在于一个充满溶剂的、独立的“出芽”（Bleb）结构中。这一发现颠覆了部分传统认知，为理解LNP的稳定性、释放机制乃至优化mRNA疫苗的设计提供了前所未有的直观依据。
图1. 工欲善其事，必先利其器：验证“分子探针”的可行性
在揭开谜底之前，科学家首先需要证明他们选择的“钥匙”——硫堇染料，是可靠且有效的。这张图就完美地回答了两个关键问题：
探针能准确识别目标吗？ 图1a和1b通过热力学和光谱学分析，清晰地表明硫堇染料能够与mRNA发生强烈的、特异性的结合。这种结合会引起染料光谱的显著变化，这就像一个明确的信号，告诉我们：“是的，我找到mRNA了”。
探针能进入LNP内部吗？ 更关键的是，这个探针必须能够穿透LNP的脂质外壳，到达mRNA所在的内部空间。图1c的动力学曲线显示，当LNP被加入到硫堇溶液中时，光谱信号会随时间发生变化，最终达到平衡。这有力地证明了硫堇分子正在逐步渗透进入LNP内部并与mRNA结合。
最后，图1d确认了加入染料后，LNP的大小和表面电荷没有发生显著变化，确保了这项观测技术不会破坏LNP本身的结构，保证了后续观察结果的真实性。至此，一把能够进入LNP“房间”并能点亮mRNA的“钥匙”已经准备就绪。
图2. 拨云见日：首次“点亮”并定位mRNA在LNP中的真实位置
这是本研究最核心、最震撼人心的部分。研究团队利用已经验证过的硫堇染色法，对不同形态的LNP进行了Cryo-EM成像，直接“看”到了mRNA的“住所”。
惊人的发现：mRNA的“独立套间”：在图3a中，对于一个非球形的LNP，我们可以看到它由一个主体和一个类似“耳朵”的“出芽”（bleb）组成。在没有染色时（左图），“出芽”内部呈现一种模糊的斑驳状密度。而一旦用硫堇染色（右图），这个“出芽”内部的密度立刻变得极深，而被染色的恰恰就是mRNA！这雄辩地证明了，在这种形态的LNP中，mRNA并非与脂质核心混合，而是“独居”在一个充满溶剂的、与主体分离的“出芽”隔间里。这与之前许多认为mRNA与脂质紧密复合的模型形成了鲜明对比。
pH驱动的“搬家”：为了进一步验证这个发现，科学家做了一个巧妙的实验（图3d）。他们将LNP置于pH=5的酸性环境中（模拟内涵体的环境）。我们知道，LNP中的可电离脂质在酸性条件下会带上正电，从而能与带负电的mRNA强烈结合。结果不出所料，原本位于“出芽”中的mRNA真的“搬家”了，它从“出芽”中迁移出来，与LNP的主体紧密结合在一起，留下了空空如也的“出芽”。这个实验不仅证实了“出芽”中的物质就是mRNA，也生动地展示了LNP响应酸性环境、改变内部结构的关键过程。
图3. 解构失效：纳米颗粒在压力下的“崩溃”瞬间
理解LNP的结构不仅是为了满足好奇心，更是为了解决实际问题，比如药物的稳定性。这款mRNA疫苗在运输和储存中会不会失效？又是如何失效的？
这张图为我们提供了一个纳米级的“事故现场快照”。研究人员对染过色的LNP样品进行了反复冻融的物理压力测试，模拟了储存和运输中可能遇到的恶劣条件。
Cryo-EM图像（图4a）清晰地揭示了LNP的降解路径：
“出芽”解离：一些LNP的“出芽”结构会从主体上脱落，形成独立的、包裹着mRNA的囊泡结构。
mRNA泄漏：蓝色箭头指向的游离出来的丝状物，正是从破损LNP中泄漏出来的mRNA。
颗粒聚集与破裂：不稳定的LNP会相互聚集，形成更大的团块（右侧），甚至有的LNP（黑色箭头）像一个即将破裂的气球，显示出其内部结构已经崩溃。
这些直观的图像，为药物制剂的开发提供了宝贵的线索，帮助科学家理解LNP失效的微观机制，从而开发出更稳定、更可靠的mRNA药物。
他山之石，可以攻玉
这篇研究的精髓，远不止于拍出了几张漂亮的照片，它为整个药物递送领域提供了深刻的启示。
1.核心科学思想：从“推测”到“看见”的跨越。 期以来，对LNP内部结构的认知多依赖于小角度X射线散射（SAXS）等间接测量手段和分子动力学模拟，好比“盲人摸象”，众说纷纭。这项工作的核心设计哲学是“眼见为实”，它通过一个极其巧妙的“染料+电镜”组合，将最关键的组分——mRNA，从复杂的背景中凸显出来，实现了从推测到直接观察的飞跃。这种化繁为简、直击要害的思路，是科学研究中的一种高超智慧。
2.背景与横向对比：重塑LNP结构模型。 此前，基于小分子siRNA的LNP研究提出的模型（如多层状结构）被广泛引用。但mRNA是个大分子，其封装机制是否相同一直存疑。这项工作直接证明了，对于mRNA-LNP，至少存在一种“核心-出芽”（core-bleb）共存的结构模型。mRNA可以处于一种与脂质主体分离、高度水合的状态。这解释了为什么不同批次的LNP形态各异，也提示我们，这些形态上的“缺陷”（如“出芽”）实际上可能是具有特定功能的重要结构域，而非简单的瑕疵。
3.未来展望与深刻见解：开启理性设计新篇章。 这项研究打开了潘多拉的盒子，引出了一系列激动人心的新问题：
功能关联性： mRNA“住”在“出芽”里和“住”在核心里，哪种状态的疫苗效果更好？其稳定性、细胞内释放效率有何不同？
可控制造： 我们能否通过调控生产工艺（如混合速度、脂质配方），来精确控制mRNA最终的“居住形态”，从而实现对疫苗效力的“按需定制”？
应用拓展： 这个强大的可视化技术，可以作为一个高效的筛选工具，用于快速评估和优化新型LNP递送系统，大大加速新药的研发进程。
总而言之，Moderna团队的这项工作，如同一座灯塔，照亮了LNP这个“黑匣子”的内部世界，标志着我们对mRNA药物递送的理解进入了一个全新的、更直观的时代。
参考文献
Brader ML, Williams SJ, Banks JM, Hui WH, Zhou ZH, Jin L. Encapsulation state of messenger RNA inside lipid nanoparticles. Biophys J. 2021 Jul 20;120(14):2766-2770. doi: 10.1016/j.bpj.2021.03.012. Epub 2021 Mar 25. PMID: 33773963; PMCID: PMC8390897.
免责声明：
本文旨在进行知识分享，所有内容均基于公开发表的文献/资料/新闻和个人理解，仅供参考，不构成任何专业建议。