脂质纳米颗粒（LNP）技术已成为多种治疗药物的核心基础（例如新冠病毒疫苗）。深入理解LNP的结构特征及其行为机制，将有助于多种治疗药物的研发实施与优化改进。Schrödinger（薛定谔）的计算建模平台能够对LNP进行基于结构的建模，进而解决由组成差异引起的LNP结构与行为变化相关的难题。

囊泡凸起（bleb）形成是LNP研究的热点领域，它会影响mRNA的表达水平。Schrödinger软件能够模拟mRNA在低pH值条件下于LNP内部分散分布（如下左图），以及高pH值条件下纳米颗粒聚集于囊泡凸起的转变过程（如下右图），相关模型已发表。

图注：浅蓝色：水；深蓝色：带正电的可电离脂质；绿色：中性可电离脂质；橙色：聚乙二醇化脂质；红色：mRNA。

研究亮点

• 构建并验证了一种粗粒化（CG）模型，该模型能在低pH值、与当前治疗用制剂相当的长度尺度下，从均相初始状态精准捕捉负载mRNA的LNP的自组装过程。

• 证实了LNP各组分的分布具有pH依赖性演变特征，与实验结果高度一致。

• 在含RNA的LNP模拟中，首次观察到自发形成的囊泡凸起结构。

研究方法

研究人员借助Schrödinger软件套件，开展了粗粒化模拟研究，具体步骤如下：

1. 基于OPLS4力场，通过1.5微秒的原子级参考模拟，实现了负载mRNA的LNP各组分粗粒化模型的自动化参数化。

图注：用于模拟的原子级及粗粒化结构

2. 利用新建的粗粒化模型，构建包含粗粒化mRNA、脂质（摩尔组成为45.6%ALC-0315、9.4%DSPC、43.4%胆固醇、1.6%ALC-0159）和水的均相体系。

3. 对体系进行弛豫处理后，通过朗之万动力学（LD）模拟探究LNP形貌的演变过程。

图注：LNP自组装的早期与后期阶段

4. 以最终自组装形成的LNP为初始状态，逐步提高可电离脂质（ALC-0315）的中和程度，进行朗之万动力学模拟，研究pH值从LNP形成时的酸性环境升至血液特征中性环境过程中，颗粒内部形貌的变化规律。

图注：LNP形貌对ALC-0315质子化比例的依赖性

图注：LNP在低pH值（90% ALC-0315质子化）与中性pH值条件下的结构特征

图注：模拟pH值对囊泡凸起中mRNA释放的影响

应用前景

这项研究表明，用于核酸递送的LNP的自组装过程可通过计算模拟实现。该模型所具备的预测能力，为模拟更大尺寸体系、更长RNA序列提供了可能，同时有助于深入探究脂质组成等因素对LNP结构的影响，能够快速提供补充实验研究和原子级模拟的相关信息。

实用工具分享

Force Field Builder（FFBuilder）是一款专为优化OPLS4力场内自定义扭转参数设计的工具。它能识别缺失的扭转参数、对输入配体进行片段化处理、运行量子力学计算，并通过拟合获取新参数。FFBuilder可与FEP+及粗粒化映射计算集成使用，也可作为工作流运行。更新的力场套件可为用户提供更广泛的覆盖范围，可深入处理更复杂的系统。

图注：Schrödinger持续推进力场创新，助力获得更精准可靠的建模结果

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参考资料

1. Grzetic, Douglas J et al. “Coarse-Grained Simulation of mRNA-Loaded Lipid Nanoparticle Self-Assembly.” Molecular pharmaceutics vol. 21,9 (2024): 4747-4753. doi:10.1021/acs.molpharmaceut.4c00216

2. Advancing lipid nanoparticle development with structure-based modeling platform and services, Case Study, www.schrodinger.com

3. Characterizing lipid nanoparticle self-assembly and structure using coarse grained simulations, Case Study, www.schrodinger.com