Mechanizm uwalniania ładunku lipidowych nanocząstek w szczepionkach mRNA

Gdy lipidowe nanocząstki po wniknięciu do komórki trafiają do kwaśnego środowiska, dochodzi do zasadniczej reorganizacji ich otoczki – pokazuje badanie Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU).

Szczepionki oraz wiele innych leków są często pakowane w niewielkie krople tłuszczu. W tej postaci są one pobierane przez komórki i dopiero wewnątrz nich uwalniają swój ładunek. Kluczowym czynnikiem wyzwalającym ten proces jest zmiana pH w otoczeniu kropli. Naukowcy z Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) przeprowadzili symulacje komputerowe, które pozwoliły szczegółowo prześledzić, co dokładnie dzieje się na poziomie molekularnym. Uzyskane wyniki mogą przyczynić się do dalszej optymalizacji uwalniania substancji czynnych. Badanie opublikowano w czasopiśmie naukowym „Small”.

Współczesne szczepionki bardzo często bazują na mRNA. Cząsteczka ta jest wyjątkowo wrażliwa i łatwo ulega degradacji w organizmie. W celu jej ochrony zamyka się ją w niewielkich kroplach tłuszczu, określanych jako lipidowe nanocząstki, które następnie są podawane w formie iniekcji. Po wprowadzeniu do organizmu nanocząstki są pobierane przez komórki i czasowo magazynowane w mikroskopijnych pęcherzykach – endosomach. W ich wnętrzu panują warunki wyraźnie bardziej kwaśne niż w cytoplazmie. „To właśnie zakwaszenie sprawia, że krople tłuszczu uwalniają swój ładunek do wnętrza komórki” – wyjaśnia prof. dr Rainer Böckmann z Department Biologie FAU, kierujący Katedrą Computational Biology.

Lipidowe nanocząstki składają się z kilku różnych komponentów. Jednym z kluczowych są tzw. aminolipidy – związki lipidopodobne zawierające atom azotu. W środowisku kwaśnym aminolipidy mogą wiązać jony wodorowe, uzyskując w ten sposób ładunek dodatni. Proces ten zachodzi przy określonym poziomie pH, który zależy od rodzaju aminolipidu. Punkt ten, określany jako wartość pKa, wyznacza moment przejścia lipidu ze stanu obojętnego do naładowanego. „Zmiana ta prowadzi do istotnej modyfikacji właściwości lipidów, co w konsekwencji skutkuje uwolnieniem zawartości nanocząstki” – podkreśla Böckmann.

Reorganizacja otoczki lipidowej w kwaśnym środowisku

Gdy kropla tłuszczu zostaje zamknięta w endosomie i trafia do lekko kwaśnego środowiska, uruchamia się swoista reakcja kaskadowa. Coraz więcej aminolipidów wiąże jony wodorowe i uzyskuje dodatni ładunek, co stopniowo destabilizuje strukturę nanocząstki, aż do uwolnienia jej ładunku.

Doktorant Marius Trollmann wraz z prof. Böckmannem przeprowadzili symulacje tego procesu na superkomputerach Centrum Narodowego Obliczeń Wielkiej Skali w Erlangen (NHR@FAU). Pozwoliło to zwizualizować w formie animacji, jak zmienia się struktura otoczki kropli tłuszczu wraz ze spadkiem pH otoczenia. „Wykazaliśmy również, jak silnie wartość pKa aminolipidów zależy od ich molekularnego sąsiedztwa” – wyjaśnia Böckmann. „W zależności od obecności innych związków w otoczeniu może ona przesuwać się nawet o cztery jednostki pH”.

W środowisku wodnym aminolipidy wiążą jony wodorowe przy pH około 9, uzyskując dodatni ładunek. Dopiero lipidowe otoczenie nanocząstki przesuwa ten punkt przełączenia do zakresu pH 5–6, czyli wartości typowych dla wnętrza endosomów.

Znaczenie wyników dla badań nad szczepionkami

Badanie po raz pierwszy w tak dużym stopniu szczegółowości pokazuje, w jaki sposób zakwaszenie endosomu prowadzi do uwolnienia ładunku lipidowych nanocząstek. Naukowcy symulowali kroplę tłuszczu o składzie molekularnym, który jest już stosowany w praktyce klinicznej. Tego typu nanocząstki wykorzystywane są jako nośniki mRNA w szczepionkach – nie tylko przeciwko koronawirusowi, lecz także potencjalnie w przyszłych terapiach onkologicznych. „Aby było to skuteczne, nanocząstki muszą uwolnić do komórki jak największą ilość mRNA” – zaznacza Böckmann. „Nasze symulacje umożliwiają dalszą optymalizację ich składu, tak aby proces ten był jeszcze bardziej efektywny”.

Źródło: Small, How vaccine-filled lipid droplets release their cargo
DOI: http://doi.org/10.1002/smll.202511381