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Membranes：中国科学院上海高等研究院联合华东理工大学团队基于时间分辨SAXS技术实时解码脂质纳米颗粒组装全过程

已有 284 次阅读 2026-11-8 16:28 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

作者简介

第一作者

李可萌 | 华东理工大学

研究方向：主要从事同步辐射X射线小角散射、LNP的微流控制备和表征分析研究

通讯作者

李娜 | 中国科学院上海高等研究院

研究方向：同步辐射溶液散射方法学及其在软物质领域应用研究

作者

贺晓鹏 | 华东理工大学

研究方向：主要聚焦糖组学解码新技术与糖靶向疾病诊治新策略开发

近日，中国科学院上海高等研究院，国家蛋白质科学研究 (上海) 设施李娜团队联合华东理工大学贺晓鹏团队，在Membranes 期刊发表了题为“A Time-Resolved In Situ SAXS Method for Real-Time Monitoring of Lipid Nanoparticles Assembly”的最新研究成果。研究团队依托位于上海同步辐射光源的BL19U2生物小角散射线站，开发了一种原位时间分辨小角X射线散射 (TR-SAXS) 表征方法，实现了对脂质纳米颗粒 (LNPs) 动态组装机制的深度解析，为理解核酸药物递送体系的形成机制提供了全新的研究工具。

研究背景

传统的表征手段如冷冻电镜 (Cryo-TEM) 虽然能提供高分辨率的形貌图像，但其仅能捕捉特定时刻的“静态图像”。而在LNPs的制备过程中，脂质分子与mRNA在微流控混合后会迅速经历聚集、自组装、重排和成熟等一系列连续变化。许多决定药物性能的关键结构信息，恰恰隐藏在这些瞬时过程中。

研究过程与结果

为了破解这一难题，研究团队充分利用上海同步辐射光源BL19U2生物小角线站高亮度、高通量技术优势，设计并搭建了微流控原位TR-SAXS实验平台，实现了样品制备与结构表征同步进行。与传统离线检测相比，该系统能够在纳米结构形成过程中实时采集散射信号，相当于为LNPs组装过程拍摄了一部“分子尺度的高速电影”，连续记录其结构演化轨迹。同步辐射TR-SAXS具有非侵入、统计性强、时间分辨率高等优势，特别适用于研究脂质纳米颗粒等快速动态自组装体系。

图1. 位于上海同步辐射光源的BL19U2线站原位TR-SAXS实验装置示意图

1.首次捕捉LNP形成的关键中间态

基于该实验平台，研究人员实时监测了mRNA-LNPs在微流控制备过程中的结构变化。实验发现，在脂质乙醇溶液与mRNA缓冲液混合后，在散射矢量q约0.1 Å⁻¹附近的特征散射峰逐渐增强并变窄，表明体系内部开始形成具有周期性排列的脂质纳米结构。这一过程说明，原本分散的脂质分子并非随机聚集，而是在极短时间内自发形成有序排列的液晶样结构单元，并进一步演化为成熟LNPs颗粒。

图2. 利用原位TR-SAXS技术实时监测微流控制备过程中LNPs的组装过程

2.pH变化如何驱动LNPs成熟？

LNPs制备完成后，通常还需要经过透析或超滤过程，将体系由酸性环境调整至接近生理条件。这一阶段同样会引发内部结构重排，并直接影响药物递送性能。为了模拟这一过程，研究团队进一步开发在线稀释实验模块，通过实时改变体系pH强度，利用TR-SAXS连续记录结构变化。

结果表明，随着pH环境向生理条件过渡，不含mRNA的empty-LNPs，内部周期性结构变化较小 (d-spacing从5.5 nm微增至5.6 nm)；而对于mRNA-LNPs，则表现出更显著的脂质结构重排。随着pH升高，其特征散射峰发生大幅度低q位移，内部周期性结构由5.3 nm显著扩展至5.7 nm，同时低q区散射强度的提升和振荡信号的出现，有力证实了mRNA与脂质分子的强相互作用正驱动着亚单元进一步生长并最终发育为成熟、完整的纳米颗粒。研究结果从介观尺度揭示了mRNA参与LNP结构构建的重要作用，为优化核酸药物递送系统设计提供了直接实验依据。