WO2025151019A1 - Cationic liposome and method for preparing rna lipoplex using same - Google Patents
Cationic liposome and method for preparing rna lipoplex using sameInfo
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Definitions
- lipoplexes aqueous mixtures of cationic liposomes and nucleic acids, due to the inherent flexibility of preparation derived from various liposome preparation methods.
- lipoplexes aqueous mixtures of cationic liposomes and nucleic acids
- the present invention provides a method for preparing a cationic liposome, comprising the following steps:
- cationic liposomes can be manufactured to have a concentric multilamellar structure without using shear stress and/or using an auxiliary surfactant having a high salt concentration, and the lipoplex can efficiently carry a large amount of drugs such as mRNA compared to conventional lipoplexes, while ensuring high structural stability of the lipoplex.
- the lipoplex has the effect of effectively delivering drugs such as mRNA to a desired organ by targeting the targeted location.
- FIG. 1b is a drawing showing the chemical structures of lipids used in the present invention.
- DOTAP is a permanently charged single cationic lipid that promotes nucleic acid complex formation
- DOPE is a neutral auxiliary lipid that promotes membrane fusion
- DHPC is a neutral short-chain lipid that modulates liposome properties.
- Figures 2a-d are diagrams showing the biophysical properties of cationic liposomes according to the method for preparing them and the inclusion of short-chain lipids.
- Fig. 2a shows a representative size distribution curve obtained by DLS in intensity-weighted mode.
- Figure 4b is a bioluminescence image of BALB/c mice after intravenous injection of lipoplexes made of cationic liposomes with various charge ratios.
- Figure 4c is a bioluminescence image of BALB/c mice after intravenous injection of lipoplexes made of anionic liposomes with various charge ratios.
- the pie charts in Figures 4b and c show the proportion of each organ in the total signal.
- Figure 6 is a diagram showing a comparison of the self-assembly structures of E400 and LC-based lipoplexes.
- A Schematic of a monolayer E400 and multilamellar LC with an ordered structure of cationic and anionic lipoplexes highlighting the interlayer spacing.
- B Representative cryo-EM and FFT images of the LC showing a frequency of 8.89 nm/c (bilayer repetition).
- C Interlayer spacing of E400 and LC analyzed using pixel intensity profiles of cryo-EM images (n > 20 per sample, mean ⁇ SD).
- D Representative cryo-EM images of cationic lipoplexes highlighting the ordered structures, corresponding FFT images, and pixel intensity profiles for repeat distance analysis.
- FIG. 7 is a cryo-electron microscopy (cryo-EM) image of DOTAP/DOPE liposomes prepared by the liposome preparation method (LUCA cycle) according to the present invention with DHPC at a ratio of 0.5 (L0.5).
- a significant amount of DHPC micelles are present along with unilamellar and multivesicular liposomes.
- Figure 11 is a diagram comparing the interlayer spacing of LC and LC-based lipoplexes analyzed using pixel intensity profiles in cryo-EM images (n > 20 for each sample, mean ⁇ S.D.). I and O represent the inner and outer portions of LC-6 lipoplexes, respectively. A p value of ⁇ 0.05 was considered statistically significant (*p ⁇ 0.05, **p ⁇ 0.01, ***p ⁇ 0.001).
- the present invention relates to a method for preparing a lipoplex comprising RNA comprising the following steps.
- the method for producing a cationic liposome or a method for producing a lipoplex containing RNA according to the present invention is characterized by using a freeze-thaw-based method unique to the present invention followed by a thin-film hydration method.
- the long-chain cationic lipid used in the present invention is a long-chain lipid that exhibits cationicity and may be a long-chain phospholipid.
- DOTMA 1,2-di-O-octadecenyl-3-trimethylammonium propane
- DDAB dimethyldioctadecylammonium
- DOTAP 1,2-dioleyl-3-trimethylammonium propane
- DODAP 1,2-dioleyl-3-dimethylammonium-propane
- DODAC dioctadecyldimethyl ammonium chloride
- DMRIE 2,3-di(tetradecoxy)propyl-(2-hydroxyethyl)-dimethylazanium
- the short-chain lipids used in the present invention can affect the shape and stability of liposomes by controlling the properties of the liposomes produced.
- Such short-chain lipids can be, for example, short-chain phospholipids, and specifically, 1,2-dipropionyl-sn-glycero-3-phosphocholine (3:0 PC), 1,2-dibutyryl-sn-glycero-3-phosphocholine (4:0 PC), 1,2-dipentanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (5:0 PC), 1,2-dihexanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (6:0 PC, DHPC), It may be at least one selected from the group consisting of 1,2-diheptanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (7:0 PC, DHPC) and 1,2-dioctanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (8:0 PC), but is not limited thereto.
- the lipid solution prepared by mixing the lipids and the organic solvent is gently dried under a nitrogen gas flow, and then the solvent is evaporated to obtain a dry film.
- the flow rate of nitrogen can be 2 to 20 L/min.
- the lipid solution was gently dried under a nitrogen gas flow and then incubated overnight in a vacuum desiccator to evaporate the solvent.
- step (c) or step (iii) is a step of obtaining cationic liposomes from the hydrated lipid suspension prepared in the step (b) or (ii), characterized in that the lipid suspension is prepared using a precisely controlled freeze-thaw-based method, Liposome under Cryo-Assembly (LUCA) cycle.
- LUCA Liposome under Cryo-Assembly
- it can be performed by a process of immersing the lipid suspension in liquid nitrogen, thawing it in a water bath, and then vortexing it, repeating the process 1 to 8 times.
- the vortexing time after thawing can be 5 to 60 seconds, or 30 seconds.
- the cationic liposomes produced according to the present invention have a unique concentric multilamellar structure that has not been reported in conventional liposome systems.
- the freeze-thaw method reduces the lamellae to produce a single-lamellar structure, and in order to have a dense and highly ordered concentric multilamellar structure, the presence of an auxiliary surfactant having a shear stress and/or a high salt concentration is generally required.
- the production method of the present invention allows the cationic liposomes to have a concentric multilamellar structure without the use of such shear stress and/or the use of an auxiliary surfactant having a high salt concentration.
- RNA as used herein relates to a nucleic acid molecule comprising ribonucleotide residues. In a preferred embodiment, the RNA contains all or most ribonucleotide residues.
- ribonucleotide refers to a nucleotide having a hydroxyl group at the 2'-position of the ⁇ -D-ribofuranosyl group.
- RNA includes, without limitation, double-stranded RNA, single-stranded RNA, isolated RNA, such as partially purified RNA, essentially pure RNA, synthetic RNA, recombinantly produced RNA, and modified RNA that differs from naturally occurring RNA by addition, deletion, or substitution of one or more nucleotides. Such alterations may refer to the addition of non-nucleotide material within the RNA nucleotides or to the terminus(s) of the RNA. It is also contemplated that the nucleotides in RNA may be non-standard nucleotides, such as chemically synthesized nucleotides or deoxynucleotides.
- the RNA is in vitro transcribed RNA (IVT-RNA) and can be obtained by in vitro transcription of a suitable DNA template.
- the promoter for controlling transcription can be any promoter for any RNA polymerase.
- the DNA template for in vitro transcription can be obtained by cloning a nucleic acid, particularly a cDNA, and introducing it into a suitable vector for in vitro transcription.
- cDNA can be obtained by reverse transcription of RNA.
- the present invention is characterized in that the charge ratio is 1 to 7 for achieving stable and efficient lipoplex formation in the step (iv).
- the N/P ratio determines the charge ratio and the overall charge of the lipoplex.
- the charge ratio (N/P) of the lipoplex manufactured according to the present invention may be 1 to 7, preferably 1.5 to 6.
- a desired drug can be delivered to a desired organ, preferably the lung or spleen, and more preferably the lung, in an organ-specific manner.
- a desired organ preferably the lung or spleen, and more preferably the lung, in an organ-specific manner.
- LNPs neutral lipid nanoparticles
- lipoplexes manufactured by the manufacturing method according to the present invention can target other specific organs by adjusting the N/P charge ratio.
- Cationic lipoplexes have shown the ability to target the lung or both the lung and spleen, whereas anionic lipoplexes specifically target the spleen. This phenomenon may lead to the development of vaccines targeting splenic dendritic cells, for example.
- similar surface charge-dependent selective organ targeting (SORT) LNPs have been designed by incorporating charged lipids into existing LNPs.
- the lipoplex manufactured according to the method for manufacturing a lipoplex of the present invention has a particle size of 200 nm to 2000 nm, 200 nm to 1000 nm, 200 nm to 700 nm, 300 nm to 2000 nm, 300 nm to 1000 nm, 300 nm to 700 nm, preferably about 300 nm to 500 nm.
- the lipoplex manufactured according to the lipoplex manufacturing method of the present invention exhibits a Q ratio of 0.2 to 8.0, 0.3 to 6.0, 0.4 to 5.0, 0.5 to 4.0, 0.5 to 3.0, or 0.5 to 2.0.
- LUCA Liposome under Cryo-Assembly
- mRNA-lipoplexes Furthermore, biophysical and biological evaluations of mRNA-lipoplexes revealed that the optimal N/P charge ratio in lipoplexes can vary depending on the structure of the initial cationic liposomes. Cryo-EM structural analysis demonstrates that multilamellar cationic liposomes induce two distinct lamellar spacings in the cationic lipoplexes, highlighting the significant influence of liposome structure on the final structure of mRNA-lipoplexes. Taken together, the present invention provides an interesting relationship between the structure of lipid assemblies and the biophysical properties of the resulting lipoplexes. This relationship may open the way to developing lipid-based mRNA delivery systems through more streamlined manufacturing processes.
- Positively charged liposomes were prepared by thin-film hydration followed by extrusion or LUCA cycle.
- appropriate amounts of long-chain cationic DOTAP, neutral DOPE, and short-chain DHPC lipids dissolved in chloroform were added to a glass vial, gently dried under a stream of nitrogen gas, and incubated in a vacuum desiccator overnight to evaporate the solvent.
- the dried lipid film was rehydrated with Milli-Q treated water (MilliporeSigma, Burlington, MA) or UltraPure DNase/RNase-free distilled water (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA) and vortexed.
- E50 and E400 liposomes the resulting suspensions were extruded using track-etched polycarbonate filter membranes with 50 or 400 nm diameters, respectively.
- LC, L4.0, and L2.0 liposomes the hydrated suspensions were subjected to five LUCA cycles including the following steps: (1) immersion in liquid nitrogen for 1 min, (2) thawing in a 60 °C water bath for 5 min, and (3) vortexing for 30 s.
- the concentrations of DOTAP and DOPE were fixed at 10 mM unless otherwise specified.
- Lipoplexes were prepared by slightly modifying the protocol described in a previous study (Kranz, LM et al., Systemic RNA delivery to dendritic cells exploits antiviral defense for cancer immunotherapy. Nature 2016, 534 (7607), 396-401 and Barichello, JM et al., Complexation of siRNA and pDNA with cationic liposomes: the important aspects in lipoplex preparation. Liposomes: Methods and Protocols, Volume 1: Pharmaceutical Nanocarriers 2010 , 461-472).
- An average molar mass of 330 Da per nucleotide was assumed to calculate the molar ratio between the cationic lipid and mRNA.
- the mRNA was provided dissolved in sodium citrate buffer at a mRNA concentration of 1 mg/mL.
- Lipoplexes were prepared by diluting the mRNA with ultrapure DNase/RNase-free distilled water and adding an appropriate amount of cationic liposome dispersion to achieve the selected charge ratio.
- Size distribution and zeta potential were investigated using a 90Plus particle size/zeta PALS analyzer (Brookhaven Instruments Corporation, NY). For size distribution analysis, measurements based on dynamic light scattering were performed at a scattering angle of 90° to minimize reflection effects. All obtained autocorrelation functions were analyzed by the cumulative method and fitted with a multimodal distribution to obtain size distributions.
- mice Five to eight weeks old male BALB/c mice were injected intravenously (i.v.) with 10 ⁇ g of FLuc mRNA complexed with lipoplexes via the lateral tail vein.
- mice Six hours after lipoplex administration, mice were injected intraperitoneally with 150 mg/kg D-luciferin (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA) dissolved in phosphate-buffered saline (PBS), and were allowed to sit for 10 minutes to allow complete systemic circulation of luciferin before performing in vivo luminescence imaging. Twenty-four hours later, mice were reinjected with 150 mg/kg D-luciferin in PBS, allowed to sit for 10 minutes, and then liver, lungs, and spleen were removed for luminescence imaging.
- D-luciferin Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA
- PBS phosphate-buffered saline
- Bioluminescence image acquisition was performed using an IVIS® Spectrum In Vivo Imaging System (PerkinElmer, Shelton, CT). All image postprocessing and analysis were performed using Living Image® 4.8.0 software (PerkinElmer, Shelton, CT). Bioluminescence intensity was quantified by drawing regions of interest (ROIs) around the liver, lungs, and spleen and measuring the luminescence within each ROI.
- ROIs regions of interest
- the size distribution and surface charge of the lipid assemblies were analyzed using dynamic light scattering (DLS) and zeta potential measurements, respectively. These parameters are important for understanding the self-assembly dynamics of cationic liposomes and mRNA, and the size and surface charge of the formed lipoplexes are affected by the intrinsic properties of the initial cationic liposomes and the charge ratio between the cationic lipids and mRNA.
- the structural characteristics, including lamellae and morphology were investigated using cryo-electron microscopy (cryo-EM), and the self-assembled structures can show considerable variations depending on the changes in parameters.
- DOTAP and DOPE lipids were chosen as the basic lipid composition based on their proven success in nucleic acid delivery ( Figure 1b ).
- the DOTAP/DOPE system has been studied for decades and presents a potential mechanism for nucleic acid delivery, where membrane fusion is facilitated by the reversed hexagonal phase and the reduced bending modulus of the unsaturated portion within this complex. Nevertheless, establishing a direct correlation between these properties and biological efficacy remains difficult, highlighting the need for further exploration in lipoplex systems.
- short-chain DHPC lipids were added to control the size and structure of the cationic liposomes.
- DHPC which is commonly used in disc-shaped bilayer mixtures containing long-chain saturated lipids, disrupts the spherical assembly of liposomes and stabilizes the bilayer discs through edge interactions.
- long-chain unsaturated lipids such as DOPC
- DHPC destabilizes the lipid bilayer due to its high curvature preference, leading to structural deformations including vesiculation and formation of smaller aggregates. Therefore, DHPC can be used as a tool to control the size distribution and structure of liposomes.
- Size distribution The size distribution of the liposomes was first analyzed by DLS technique. After film formation and hydration, the VORs exhibited a broad size distribution with two distinct multimodal peaks at around 180 nm and 760 nm ( Figure 2a ). The average diameter of the VORs measured from multiple samples was 393.9 ⁇ 28.9 nm, consistent with the polydispersity index (PDI) of 0.34, reflecting their less reproducible and heterogeneous nature ( Figure 2b , Table 1 ). These results are consistent with the expectation that hydration of dried phospholipids in aqueous media leads to uncontrolled self-assembly of heterogeneous bi- and/or multilamellar liposomes with a broad size distribution.
- PDI polydispersity index
- E50 exhibited a single narrow peak in multimodal analysis, indicating its homogeneity.
- E400 exhibited a relatively broader size distribution and dual multimodal peaks compared to E50, which was presumably due to some degree of heterogeneity caused by its larger pore size. Nevertheless, E400 exhibited a smaller and more homogeneous size distribution compared to VOR, suggesting the potential advantage of the extrusion technique in producing liposomes with consistent properties.
- the average diameter of LCs manufactured by introducing the manufacturing method (LUCA cycle) according to the present invention was 321.6 ⁇ 20.6 nm, which corresponds to a size between VOR and E400, and surprisingly exhibited a low PDI of 0.20.
- the freeze-thaw mechanism effectively reduces the size and size distribution of liposomes, which may occur due to lipid fragmentation and subsequent lipid membrane rupture by ice crystals during the freezing process.
- the addition of short-chain DHPC lipids resulted in a broadening of the size distribution along with a slight decrease in liposome size as the PDI increased from 0.20 to 0.22 in L4.0. This effect was more pronounced as the DHPC concentration was doubled in L2.0. This observed size decrease and distribution increase are expected results due to the destabilization and disordering of the lipid membrane induced by the difference in chain length between long-chain and short-chain lipids.
- VORs showed heterogeneous sizes and shapes, with some liposomes exhibiting elongated vesicle morphologies encapsulated within larger liposomes. Quantitative analysis revealed that VORs were mainly composed of unilamellar and multivesicular structures, with both types accounting for 44% of the population ( Figure 2d ) . This heterogeneity was closely consistent with the results of DLS analysis. In contrast, extruded liposomes showed a distinct lamellar tendency compared to VORs.
- E50 was composed entirely of unilamellar structures, indicating that extended extrusion led to the rupture of the multilamellar structures and the generation of small, uniform unilamellar liposomes.
- E400 was mainly unilamellar, with 19% bilamellar structures.
- the LCs according to the present invention exhibited a distinct “onion-like” concentric multilamellar morphology, contrary to expectations, as freeze-thaw methods typically reduce lamellarity to produce single-lamellar structures.
- Approximately 65% of the LCs exhibited multilamellar structures, suggesting that although the LUCA cycle tends to induce relative homogeneity in the size distribution, it favors the formation of multilamellar structures over single-lamellar structures in DOTAP/DOPE cationic liposomes.
- Such dense and highly ordered concentric multilamellar structures have been observed previously in liposomes, but generally required the presence of co-surfactants with shear stress and/or high salt concentrations.
- lipoplexes were systematically prepared by varying the molar ratio between cationic lipids and mRNA to achieve stable and efficient lipoplex formation.
- the N/P ratio represents the molar ratio of DOTAP (positively charged amine group, N) to nucleic acid (negatively charged phosphate group, P) of mRNA.
- DOTAP positively charged amine group
- P nucleic acid
- liposomes initially bind to nucleic acid molecules, and aggregation begins when the zeta potential of the lipoplex approaches zero ( Figure 3A ).
- the colloidally unstable region is generally observed near the neutral surface charge, which can lead to potential aggregation of lipoplexes.
- L2.0-based lipoplexes exhibited a similar trend in transfection efficiency to E400-based lipoplexes, which was consistent with a high ratio of unilamellar structures similar to E400.
- negatively charged LC-based lipoplexes e.g., LC-1.5 and LC-0.75
- LC-based lipoplexes e.g., LC-1.5 and LC-0.75
- LC-based lipoplexes e.g., LC-1.5 and LC-0.75
- LC-6 cationic lipoplexes
- E400-based lipoplexes derived from larger liposomes showed higher transfection efficiency than E50-derived lipoplexes at the same N/P ratio. This highlights the importance of lipid assembly size on the transfection outcome of lipoplexes, especially in lipoplexes derived from extruded liposomes.
- Neutral LNPs primarily target the liver, but it has been reported that lipoplexes can be targeted to specific organs by adjusting the N/P charge ratio. Cationic lipoplexes have shown the ability to target the lung or both the lung and spleen, whereas anionic lipoplexes specifically target the spleen. This phenomenon has led to the development of vaccines targeting splenic dendritic cells. In addition, similar surface charge-dependent selective organ targeting (SORT) LNPs have been designed by incorporating charged lipids into conventional LNPs.
- SORT selective organ targeting
- VOR-6 In cationic lipoplexes ( Figure 5a ), VOR-6 exhibited high-contrast thick layers and voids, indicating a condensed complex structure formed by the interaction between the nucleic acid and the cationic lipid within the lipoplex. This structural feature was likely influenced by the high proportion of multivesicular structures of VOR (44%), because smaller mRNA molecules may not have a significant effect on the initial liposomal structure of the much larger and more flexible VOR.
- anionic VOR-0.75 was prepared with excess mRNA ( Figure 5b )
- paired lamellar structures were formed within and between lipoplex particles due to the strong electrostatic interactions between the cationic lipid membrane and the mRNA molecules. This sandwiched lamellar phase produced the characteristic 'fingerprint' pattern commonly observed in DOTAP/DOPE lipoplex systems, but voids were observed within the lipoplexes due to the large, multivesicular liposome structure of VOR.
- E400-0.75 exhibited elongated structures connected by short-length multilamellar complexes. These elongated structures are consistent with those observed in previous studies, showing that excess mRNA under low N/P ratio conditions induces spaghetti-like tubular projections or elongated periodic multilamellar structures— 61, 62. Thus, the elongated structures of E400-0.75 appear to be induced by excess mRNA, contributing in part to the reduced transfection efficiency in vitro.
- the concentric multilamellar structure of LC was remarkably preserved after mRNA incorporation in cationic LC-6.
- the outer layer of LC-6 was thicker than that of LC, and the inner layer was deformed into a dense state due to binding to mRNA.
- this preservation of liposome structure was observed only when LC was characterized by a densely packed concentric multilamellar structure. This behavior is in sharp contrast to conventional unilamellar liposomes, such as E50 and E400, which tend to deform into distorted complex assemblies upon complexation with nucleic acids.
- the outer lamellar layers showed a spacing of 12.74 ⁇ 1.98 nm, whereas the inner lamellar layers were more densely packed with a spacing of 7.83 ⁇ 0.93 nm ( Figure 6E ).
- the distinct interlayer spacing in LC-6 suggests that mRNA may be encapsulated or packaged differently in the inner or outer domains.
- the lamellar structure within the cationic lipoplexes was also confirmed by small-angle X-ray scattering (SAXS) analysis ( Figure 6F ), although E400-3 and LC-6 showed similar d-spacings.
- SAXS small-angle X-ray scattering
- the inner region of LC-6 has a more densely packed lamellar structure and appears to accommodate fewer mRNA molecules. This may be due to the lower amount of cationic lipids in the inner layer and the less accessible mRNA in the inner layer of the liposome. Nevertheless, it is noteworthy that the interlamellar spacing in the inner region of LC-6 lipoplexes is larger than that observed in E400-3 lipoplexes. This suggests that the monolayer lipid membrane of E400 liposomes tends to pack the mRNA closely, and this may be because the monolayer lipid membrane of E400 liposomes is relatively flexible compared to the multilamellar membrane, making it more amenable to deformation.
- the present invention systematically explores the biophysical complexity of lipid assembly in mRNA delivery systems, revealing that liposome structure plays a pivotal role in forming mRNA-lipoplex structures.
- cationic DOTAP/DOPE liposomes Prior to mRNA complexation, cationic DOTAP/DOPE liposomes showed significant differences in size distribution and morphological characteristics, which mainly depended on the preparation method.
- the LUCA cycle included in the preparation method according to the present invention generated a unique concentric multilamellar structure in liposomes that has not been reported in existing liposome systems.
- cationic liposomes significantly affected the optimal N/P charge ratio in mRNA-lipoplexes, since multilamellar liposomes aggregate at a higher N/P ratio than unilamellar liposomes due to less exposure of cationic lipids.
- biological analysis results showed that the variability of the optimal N/P ratio within lipoplexes, which is determined by the structural characteristics of cationic liposomes, significantly affected the biological efficacy.
- Cryo-EM analysis revealed structural differences between lipoplexes, which are mainly influenced by the cationic liposome architecture and the N/P ratio.
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Abstract
Description
본 발명은 양이온성 리포좀의 제조방법 및 상기 양이온성 리포좀을 이용하여 RNA 리포플렉스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 표적 조직으로 RNA를 전달하기 위한 RNA 리포플렉스의 제조를 위해 특이적으로 고안된 양이온성 리포좀의 제조방법 및 이러한 양이온성 리포좀을 이용한 RNA 리포플렉스의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing cationic liposomes and a method for preparing RNA lipoplexes using the cationic liposomes. More specifically, the present invention relates to a method for preparing cationic liposomes specifically designed for preparing RNA lipoplexes for delivering RNA to target tissues and a method for preparing RNA lipoplexes using the cationic liposomes.
핵산과 운반체 분자를 이용한 유전자 전달 시스템의 발전은 다양한 질병을 해결하기 위한 유망한 방법을 제공한다. 이 접근법은 질병 관련 유전자의 발현을 정밀하게 조절하고, 기능적 단백질의 발현을 조절하며, 조절된 면역 반응을 조율할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 최근 몇 년 동안, 지질 기반 핵산 전달 시스템은 유전 물질의 효율적인 운반과 전달을 촉진하여 핵심 기술로 부상하였다. 이러한 두드러짐은 코로나바이러스감염증-19(COVID-19)를 해결하기 위한 메신저 RNA(mRNA) 백신 개발에서 지질 나노입자(LNP)의 성공적인 적용을 통해 입증된다. 이는 지질 기반 유전자 전달 시스템의 다양한 잠재력을 보여준다.The development of gene delivery systems using nucleic acids and carrier molecules offers promising approaches to address a variety of diseases. This approach has the potential to precisely control the expression of disease-related genes, regulate the expression of functional proteins, and orchestrate regulated immune responses. In recent years, lipid-based nucleic acid delivery systems have emerged as a key technology to facilitate efficient transport and delivery of genetic material. This prominence is demonstrated by the successful application of lipid nanoparticles (LNPs) in the development of messenger RNA (mRNA) vaccines to address coronavirus disease-19 (COVID-19). This demonstrates the diverse potential of lipid-based gene delivery systems.
지질 기반 유전자 전달 시스템 분야에서 상당한 진전이 이루어졌지만, 연구 노력은 주로 다양한 지질 제형의 사용을 탐색하는 데 집중되어 왔다. 이러한 탐색은 고정된 양이온성 지질(예: 1,2-dioleoyl-3-trimethylammonium-propane (DOTAP))과 다가 양이온성 지질을 포함하며, 각각 고유한 기능적 효과를 갖는다. 또한, 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE)와 같은 중성 지질이 육각상을 유도하고 막 융합을 촉진하기 위해 포함되었다. 더욱이, 이온화 가능한 지질의 포함은 유전자 전달에서 중요한 단계인 엔도좀 탈출을 가능하게 했으며, LNP에 새로운 지질을 통합함으로써 장기 특이적 표적화가 발전하였다.Although significant progress has been made in the area of lipid-based gene delivery systems, research efforts have primarily focused on exploring the use of different lipid formulations. These explorations have included immobilized cationic lipids (e.g., 1,2-dioleoyl-3-trimethylammonium-propane (DOTAP)) and polycationic lipids, each with unique functional effects. Additionally, neutral lipids, such as 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE), have been incorporated to induce hexagonal phases and promote membrane fusion. Furthermore, the inclusion of ionizable lipids has enabled endosomal escape, a critical step in gene delivery, and organ-specific targeting has been advanced by incorporating novel lipids into LNPs.
한편, 지질 기반 핵산 전달 시스템에서 상당한 진전이 이루어졌음에도 불구하고, 생물물리적 특성(예: 크기, 라멜라성, 형태, 표면 전하)이 지질 어셈블리 및 mRNA 복합체에 미치는 영향에 관해서는 여전히 중요한 지식 격차가 남아 있다. 주목할 만하게, 이러한 시스템의 자기 조립 과정에 미치는 영향은 다양한 리포좀 제조 방법에서 유래된 제조의 본질적인 유연성으로 인해 양이온성 리포좀과 핵산의 수용액 혼합물인 '리포플렉스'에서 더욱 강조된다. 사용된 제조 방법과 밀접하게 연관된 리포플렉스의 결과적인 어셈블리 특징은 핵심적인 생물학적 활성에 상당한 영향을 미칠 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 그러나 이전 연구는 주로 전달 효율 측면에서 제조 방법을 직접 비교하는 데 주로 초점을 맞추었다. 따라서 리포플렉스의 기능이 특정 요인에 의존하는지 또는 특정 변수가 기본적인 생물물리적 특성에 대한 깊은 이해의 부족으로 인해 무의미한지 여부를 해독하는 데 어려움을 겪었다. 또한, 리포좀 크기와 생물학적 활성 사이의 관계는 상충되는 결과를 초래하여 이러한 겉보기에 간단한 연관성에 모호함을 만들어냈다. 따라서, 양이온성 지질 어셈블리와 mRNA-리포플렉스의 속성 사이의 복잡한 생물물리적 관계를 이해하는 것은 지질 기반 핵산 전달 시스템의 치료 잠재력을 완전히 실현하기 위해 매우 중요하다.Despite significant progress in lipid-based nucleic acid delivery systems, there remains a significant knowledge gap regarding the influence of biophysical properties (e.g., size, lamellarity, shape, surface charge) on lipid assembly and mRNA complexes. Notably, the influence of these systems on the self-assembly process is further highlighted in ‘lipoplexes’, aqueous mixtures of cationic liposomes and nucleic acids, due to the inherent flexibility of preparation derived from various liposome preparation methods. The resulting assembly characteristics of lipoplexes, which are closely related to the preparation method used, have the potential to significantly influence key biological activities. However, previous studies have primarily focused on directly comparing preparation methods in terms of delivery efficiency, making it difficult to decipher whether lipoplex function is dependent on specific factors or whether specific variables are irrelevant due to a lack of a deep understanding of the underlying biophysical properties. Furthermore, the relationship between liposome size and biological activity has yielded conflicting results, creating ambiguity in this seemingly simple association. Therefore, understanding the complex biophysical relationships between the properties of cationic lipid assemblies and mRNA-lipoplexes is critical to fully realizing the therapeutic potential of lipid-based nucleic acid delivery systems.
이러한 배경하에서, 본 발명자들은 양이온성 리포좀과 리포플렉스의 생물물리적 특성을 체계적으로 조사하였으며, 특히 서로 다른 제조 방법이 지질의 어셈블리 구조에 미치는 영향에 주목하였다. 먼저 일부 제형에 단쇄 지질(1,2-dihexanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DHPC))을 포함하여 다양한 제조 방법을 사용하여 제조된 양이온성 리포좀을 특성화하였고, 크기 분포, 표면 전하, 라멜라성 및 형태와 같은 리포좀의 생물물리적 요인을 조사하였다. 그런 다음, mRNA에서 양으로 하전된 양이온성 지질과 인산기의 비율을 나타내는 N/P 비율을 변화시킴으로써 리포좀 특성이 mRNA-리포플렉스의 생물물리적 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 또한, 이러한 리포플렉스의 생물학적 효능을 평가하여 초기 리포좀 구조와 리포플렉스의 생물물리적 특성 및 기능성을 연관시켰다. 마지막으로, 대표적인 양이온성 및 음이온성 리포플렉스를 상세한 형태학적 분석에 적용하였다. 포괄적인 구조 비교는 리포좀 구조와 N/P 비율이 리포플렉스의 구조를 형성하는 데 중요한 역할을 함을 밝혔으며, 이는 리포좀의 자기 조립에 따라 뚜렷한 구조 패턴을 초래하였음을 확인하여 본 발명을 완성하였다. Against this backdrop, the present inventors systematically investigated the biophysical properties of cationic liposomes and lipoplexes, paying particular attention to the effects of different preparation methods on the assembly structures of lipids. First, cationic liposomes prepared using various preparation methods, including short-chain lipids (1,2-dihexanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DHPC)) in some formulations, were characterized, and biophysical factors of liposomes, such as size distribution, surface charge, lamellarity, and morphology, were investigated. Then, by varying the N/P ratio, which represents the ratio of positively charged cationic lipids and phosphate groups in mRNA, the effects of liposome properties on the biophysical properties of mRNA-lipoplexes were evaluated. In addition, the biological efficacy of these lipoplexes was evaluated to correlate the initial liposome structure with the biophysical properties and functionality of the lipoplexes. Finally, representative cationic and anionic lipoplexes were subjected to detailed morphological analyses. A comprehensive structural comparison revealed that the liposome structure and N/P ratio play an important role in forming the structure of the lipoplex, which confirmed that the self-assembly of liposomes resulted in distinct structural patterns, thereby completing the present invention.
상기의 목적을 달성하기 위하여,To achieve the above purpose,
본 발명은 일 측면으로, 하기 단계를 포함하는 양이온성 리포좀을 제조하는 방법을 제공한다:In one aspect, the present invention provides a method for preparing a cationic liposome, comprising the following steps:
(a) 장쇄 양이온성 지질, 및 단쇄 지질을 유기 용매에 용해시켜 지질 용액을 제조한 후, 질소 가스 흐름 하에서 건조시켜 상기 유기 용매를 증발시켜 건조된 지질막을 수득하는 단계;(a) a step of preparing a lipid solution by dissolving long-chain cationic lipids and short-chain lipids in an organic solvent, and then drying under a nitrogen gas flow to evaporate the organic solvent and obtain a dried lipid film;
(b) 상기 단계에서 수득한 건조된 지질막을 수성용매로 수화시켜 지질 현탁액을 제조하는 단계; 및(b) a step of preparing a lipid suspension by hydrating the dried lipid film obtained in the above step with an aqueous solvent; and
(c) 상기 단계에서 제조된 수화된 지질 현탁액을 액체 질소에 침지시킨 후, 10 내지 80℃ 수욕에서 해동시키고, 이후 5 내지 60초 동안 볼텍싱하는 공정을 1 내지 10회 반복하는 단계.(c) A step of immersing the hydrated lipid suspension prepared in the above step in liquid nitrogen, thawing it in a water bath at 10 to 80°C, and then vortexing it for 5 to 60 seconds, repeating the process 1 to 10 times.
또 다른 일 측면으로, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 RNA를 포함하는 리포플렉스를 제조하는 방법을 제공한다:In another aspect, the present invention provides a method for preparing a lipoplex comprising RNA, comprising the following steps:
(i) 장쇄 양이온성 지질, 및 단쇄 지질을 유기 용매에 용해시켜 지질 용액을 제조한 후, 질소 가스 흐름 하에서 건조시켜 상기 유기 용매를 증발시켜 건조된 지질막을 수득하는 단계;(i) a step of preparing a lipid solution by dissolving a long-chain cationic lipid and a short-chain lipid in an organic solvent, and then drying the solution under a nitrogen gas flow to evaporate the organic solvent and obtain a dried lipid film;
(ii) 상기 단계에서 수득한 건조된 지질막을 수성용매로 수화시켜 지질 현탁액을 제조하는 단계; (ii) a step of preparing a lipid suspension by hydrating the dried lipid film obtained in the above step with an aqueous solvent;
(iii) 상기 단계에서 제조된 수화된 지질 현탁액을 액체 질소에 침지시킨 후, 10 내지 80℃ 수욕에서 해동시키고, 이후 5 내지 60초 동안 볼텍싱하는 공정을 1 내지 10회 반복하여 양이온성 리포좀을 제조하는 단계; 및(iii) a step of preparing a cationic liposome by immersing the hydrated lipid suspension prepared in the above step in liquid nitrogen, thawing it in a water bath of 10 to 80°C, and then vortexing it for 5 to 60 seconds, repeating the process 1 to 10 times; and
(iv) RNA를 수성용매로 희석한 후, 상기 양이온성 리포좀 분산액을 첨가하는 단계.(iv) A step of diluting RNA with an aqueous solvent and then adding the cationic liposome dispersion.
본 발명의 제조방법에 따르면, 전단응력 사용 및/또는 높은 염 농도를 가지는 보조 계면활성제의 사용없이도 제조되는 양이온성 리포좀이 동심원 다중 라멜라 구조를 가지게 할 수 있고, 리포플렉스가 종래의 리포플렉스 대비 효율적으로 많은 양의 mRNA 등과 같은 약물을 담지할 수 있도록 하면서도, 높은 리포플렉스의 구조적인 안정성을 확보할 수 있게 한다. 또한 N/P 비율을 조절함으로 인해, 리포플렉스가 표적된 위치에 mRNA 등과 같은 약물을 원하는 장기를 표적하여 효과적으로 송달시킬 수 있다는 효과를 갖는다. According to the manufacturing method of the present invention, cationic liposomes can be manufactured to have a concentric multilamellar structure without using shear stress and/or using an auxiliary surfactant having a high salt concentration, and the lipoplex can efficiently carry a large amount of drugs such as mRNA compared to conventional lipoplexes, while ensuring high structural stability of the lipoplex. In addition, by controlling the N/P ratio, the lipoplex has the effect of effectively delivering drugs such as mRNA to a desired organ by targeting the targeted location.
도 1a-c는 초기 리포좀 특성이 리포플렉스 형성에 미치는 영향을 조사하기 위한 실험 프레임워크에 관한 도면이다.Figures 1a-c are schematics of the experimental framework to investigate the effect of initial liposome properties on lipoplex formation.
구체적으로, 도 1a는 본 발명에서 사용된 정밀하게 제어된 동결-해동 기반 방법인 Liposome under Cryo-Assembly(LUCA) 사이클과 비교를 위한 기존의 압출법과 함께 리포좀 제조 방법 및 생물물리적 및 생물학적 평가 방법을 설명하는 도식이다. Specifically, FIG. 1a is a schematic diagram illustrating a method for preparing liposomes and a biophysical and biological evaluation method, along with a conventional extrusion method for comparison with the precisely controlled freeze-thaw based method, Liposome under Cryo-Assembly (LUCA) cycle used in the present invention.
도 1b는 본 발명에서 사용된 지질의 화학 구조를 나타내는 도면이다. DOTAP는 핵산 복합체 형성을 촉진하는 영구적으로 하전된 단일 양이온성 지질이며, DOPE는 막 융합을 촉진하는 중성 보조 지질이고, DHPC는 리포좀 특성을 조절하는 중성 단쇄 지질이다. Figure 1b is a drawing showing the chemical structures of lipids used in the present invention. DOTAP is a permanently charged single cationic lipid that promotes nucleic acid complex formation, DOPE is a neutral auxiliary lipid that promotes membrane fusion, and DHPC is a neutral short-chain lipid that modulates liposome properties.
도 1c는 서로 다른 전하비(N/P)를 사용하여 리포플렉스 합성에 사용된 양이온성 리포좀의 유형을 나타내는 표. N/P는 양으로 하전된 아민(N = 질소) 기와 음으로 하전된 핵산 인산(P) 기의 몰비를 나타낸다. Q는 장쇄 지질과 단쇄 지질의 몰비를 나타낸다. Figure 1c is a table showing the types of cationic liposomes used for lipoplex synthesis using different charge ratios (N/P). N/P represents the molar ratio of positively charged amine (N = nitrogen) groups to negatively charged nucleic acid phosphate (P) groups. Q represents the molar ratio of long-chain lipids to short-chain lipids.
도 2a-d는 양이온성 리포좀의 제조 방법 및 단쇄 지질 포함 여부에 따른 생물물리적 특성에 관한 도면이다.Figures 2a-d are diagrams showing the biophysical properties of cationic liposomes according to the method for preparing them and the inclusion of short-chain lipids.
구체적으로 도 2a는 강도 가중 모드에서 DLS로 얻은 대표적인 크기 분포 곡선을 나타낸 것이다. Specifically, Fig. 2a shows a representative size distribution curve obtained by DLS in intensity-weighted mode.
도 2b는 단일 지수 감쇠의 상관 함수에 적합화된 후 DLS로 측정한 평균 직경 (n = 6)에 관한 도면이다. Figure 2b is a plot of the mean diameter (n = 6) measured by DLS after fitting to a correlation function of single exponential decay.
도 2c는 양이온성 리포좀 간의 구조적 차이를 보여주는 Cryo-EM 현미경 사진이다. 리포좀 분류 예시는 상자 안에 강조되어 있고: 파란색, 단일 라멜라; 녹색, 다중 라멜라; 자주색, 이중 라멜라; 주황색, 다중 소포를 의미한다. Figure 2c is a cryo-EM micrograph showing the structural differences between cationic liposomes. Examples of liposome types are highlighted in boxes: blue, unilamellar; green, multilamellar; purple, bilamellar; orange, multivesicular.
도 2d는 Cryo-EM에 의해 결정된 입자 형태의 정성적 분석 (각 샘플에 대해 n > 80) 결과를 나타낸 도면이다. Figure 2d is a diagram showing the results of qualitative analysis of particle morphology determined by cryo-EM (n > 80 for each sample).
도 3a-b는 각각의 양이온성 리포좀의 N/P 전하비 조절을 통한 리포플렉스의 안정적이고 효율적인 형성을 위한 생물물리적 특성 분석 및 조절에 관한 것이다.Figures 3a-b are about biophysical property analysis and control for stable and efficient formation of lipoplexes through control of N/P charge ratio of each cationic liposome.
구체적으로 도 3a는 N/P 전하비가 리포플렉스의 콜로이드 안정성에 미치는 영향을 보여주는 개략적인 도식이다. 입자 크기(검은색 선)와 순 표면 전하(빨간색 선)로부터 유추할 수 있다. Specifically, Fig. 3a is a schematic diagram showing the effect of N/P charge ratio on the colloidal stability of lipoplexes, which can be inferred from the particle size (black line) and net surface charge (red line).
도 3b는 리포플렉스의 크기 분포, 표면 전하 및 콜로이드 안정성을 평가하기 위한 DLS 및 제타 전위 분석결과를 나타내는 것이다. 도해는 각각의 양이온성 리포좀 제형에 존재하는 대표적인 구조적 특징을 보여준다. 주의: 그래프에서 음영 처리된 영역은 불안정한 리포플렉스 형성과 관련된 N/P 전하비를 나타낸다. 모든 데이터는 평균 ± 표준 편차 (n = 3)로 표시하였다.Figure 3b shows the results of DLS and zeta potential analyses to evaluate the size distribution, surface charge, and colloidal stability of lipoplexes. The diagram shows representative structural features present in each cationic liposome formulation. Note: The shaded region in the graph indicates the N/P charge ratio associated with unstable lipoplex formation. All data are expressed as mean ± standard deviation (n = 3).
도 4a-c는 각각의 양이온성 리포좀의 N/P 전하비에 따른 리포플렉스의 in vitro 형질감염 효율 및 in vivo 생물학적 효능을 확인한 결과를 나타낸 것이다. Figures 4a-c show the results of confirming the in vitro transfection efficiency and in vivo biological efficacy of lipoplexes according to the N/P charge ratio of each cationic liposome.
구체적으로 도 4a는 mRNA-리포플렉스(100 및 200 ng mRNA/well, n = 6)로 처리한 HEK293T 세포에서 24시간 후의 상대적 루시퍼레이즈 발현을 나타낸 그래프이다. 그래프에서 강조된 주황색 영역은 도 3의 생물물리적 분석을 통해 결정된 불안정한 리포플렉스 형성과 관련된 N/P 전하비를 나타낸다. 수평 점선은 100 ng의 E400-3의 발현 수준을 1.0 임의 단위(a.u.)로 설정한 값을 나타낸다. 모든 데이터는 평균 ± 표준 편차 (S.D.)로 제시되었다. Specifically, Fig. 4a is a graph showing the relative luciferase expression after 24 h in HEK293T cells treated with mRNA-lipoplexes (100 and 200 ng mRNA/well, n = 6). The orange region highlighted in the graph indicates the N/P charge ratio associated with unstable lipoplex formation determined through the biophysical analysis of Fig. 3 . The horizontal dashed line indicates the value where the expression level of 100 ng of E400-3 was set to 1.0 arbitrary units (a.u.). All data are presented as mean ± standard deviation (S.D.).
도 4b는 다양한 전하비를 갖는 양이온성 리포좀으로 제작된 리포플렉스를 정맥 주사한 후 확인한 BALB/c 마우스의 생체발광 영상이다. Figure 4b is a bioluminescence image of BALB/c mice after intravenous injection of lipoplexes made of cationic liposomes with various charge ratios.
도 4c는 다양한 전하비를 갖는 음이온성 리포좀으로 제작된 리포플렉스를 정맥 주사한 후 확인한 BALB/c 마우스의 생체발광 영상이다. 도 4b 및 c에서 파이 차트는 총 신호에서 각 장기가 차지하는 비율을 보여준다.Figure 4c is a bioluminescence image of BALB/c mice after intravenous injection of lipoplexes made of anionic liposomes with various charge ratios. The pie charts in Figures 4b and c show the proportion of each organ in the total signal.
도 5는 순 전하 및 in vitro 형질감염 효율에 기반하여 선택된 (A) 양이온성 및 (B) 음이온성 리포플렉스의 대표적인 cryo-EM 마이크로그래프이다. 왼쪽의 도식은 각 리포플렉스에 대한 초기 양이온성 리포좀의 대표적인 구조적 특징을 보여준다.Figure 5 is a representative cryo-EM micrograph of (A) cationic and (B) anionic lipoplexes selected based on net charge and in vitro transfection efficiency. The schematic on the left shows representative structural features of the initial cationic liposomes for each lipoplex.
도 6은 E400 및 LC 기반 리포플렉스의 자가 조립 구조 비교를 나타낸 도면이다. (A) 층간 간격을 강조한 해당 양이온성 및 음이온성 리포플렉스의 정렬된 구조의 단층막 E400과 다중 라멜라 LC의 도식이다. (B) 8.89 nm/c(이중층 반복)의 주파수를 보여주는 LC의 대표적인 cryo-EM 및 FFT 이미지. (C) cryo-EM 이미지의 픽셀 강도 프로파일을 이용하여 분석한 E400 및 LC의 층간 간격 (샘플당 n > 20, 평균 ± S.D.) (D) 정렬된 구조를 강조한 양이온성 리포플렉스의 대표적인 cyro-EM이미지, 해당 FFT 이미지 및 반복 거리 분석을 위한 픽셀 강도 프로파일 (E) cryo-EM 이미지에서 분석한 양이온성 리포플렉스의 층간 간격 (샘플당 n > 20, I: LC-6 내부, O: LC-6 외부) (F) 피크 위치에서 계산된 d-간격을 갖는 양이온성 리포플렉스의 SAXS 프로파일 (G) 정렬된 구조를 강조한 음이온성 리포플렉스의 대표적인 cryo-EM이미지 및 해당 FFT 이미지와 반복 거리를 분석하기 위한 픽셀 강도 프로파일 (H) cryo-EM 이미지에서 분석한 음이온성 리포플렉스의 층간 간격 (샘플당 n > 20) (I) 피크 위치에서 계산된 d-간격을 갖는 음이온성 리포플렉스의 SAXS 프로파일. 데이터는 평균 ± 표준 편차로 보고되며, P 값이 <0.05인 경우 통계적으로 유의함 (*p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001)Figure 6 is a diagram showing a comparison of the self-assembly structures of E400 and LC-based lipoplexes. (A) Schematic of a monolayer E400 and multilamellar LC with an ordered structure of cationic and anionic lipoplexes highlighting the interlayer spacing. (B) Representative cryo-EM and FFT images of the LC showing a frequency of 8.89 nm/c (bilayer repetition). (C) Interlayer spacing of E400 and LC analyzed using pixel intensity profiles of cryo-EM images (n > 20 per sample, mean ± SD). (D) Representative cryo-EM images of cationic lipoplexes highlighting the ordered structures, corresponding FFT images, and pixel intensity profiles for repeat distance analysis. (E) Interlayer spacing of cationic lipoplexes analyzed from cryo-EM images (n > 20 per sample, I: LC-6 interior, O: LC-6 exterior). (F) SAXS profile of cationic lipoplexes with d-spacing calculated from peak positions. (G) Representative cryo-EM images of anionic lipoplexes highlighting the ordered structures, corresponding FFT images, and pixel intensity profiles for repeat distance analysis. (H) Interlayer spacing of anionic lipoplexes analyzed from cryo-EM images (n > 20 per sample). (I) SAXS profile of anionic lipoplexes with d-spacing calculated from peak positions. Data are reported as mean ± standard deviation, with a P value of <0.05 considered statistically significant (*p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001).
도 7은 비율이 0.5인 DHPC가 포함된 본 발명에 따른 리포좀 제조방법(LUCA 사이클)에 따라 제조된 DOTAP/DOPE 리포좀의 극저온 전자 현미경 (cryo-EM) 이미지 (L0.5). 이미지에서 알 수 있듯이, 단층막 및 다중 소포체 리포좀과 함께 DHPC 미셀 (검은색 화살표로 표시됨)이 상당량 존재한다.Figure 7 is a cryo-electron microscopy (cryo-EM) image of DOTAP/DOPE liposomes prepared by the liposome preparation method (LUCA cycle) according to the present invention with DHPC at a ratio of 0.5 (L0.5). As can be seen in the image, a significant amount of DHPC micelles (indicated by black arrows) are present along with unilamellar and multivesicular liposomes.
도 8은 각각의 양이온성 리포좀에서 다양한 N/P 전하비 에서의 VOR 및 E50 기반 리포플렉스의 In vitro 형질감염 효율 (100 and 200 ng mRNA/well, n = 6)을 확인한 도면이다. 그래프에서 주황색으로 강조된 영역은 도 3의 생물물리학적 분석을 통해 결정된 불안정한 리포플렉스 형성과 관련된 N/P 전하비를 나타낸다. 수평 점선은 100 ng에서 E400-3의 발현 수준을 1.0 임의 단위(a.u.)로 설정한 값을 나타낸다. 모든 데이터는 평균 ± 표준 편차(S.D.)로 제시되었다.Figure 8 is a diagram showing the in vitro transfection efficiency of VOR and E50-based lipoplexes at various N/P charge ratios in each cationic liposome (100 and 200 ng mRNA/well, n = 6). The orange highlighted region in the graph represents the N/P charge ratio associated with unstable lipoplex formation determined through the biophysical analysis of Figure 3 . The horizontal dashed line represents the expression level of E400-3 at 100 ng, which was set to 1.0 arbitrary units (a.u.). All data are presented as mean ± standard deviation (S.D.).
도 9는 정맥 주사된 양이온성 E400-6 투여 후 BALB/c 마우스의 생체발광 영상을 나타낸다. 파이 차트는 전체 신호 중 각 기관의 상대적 기여도를 나타낸다.Figure 9 shows bioluminescence images of BALB/c mice after intravenous cationic E400-6 administration. Pie charts represent the relative contribution of each organ to the total signal.
도 10a 및 10b는 E400 (도 10a) 및 LC 기반 리포플렉스 (도 10b) 간의 자기 조립 구조 비교를 위한 대표적 분석 결과를 나타낸 것이다. 도 10a 및 10b에서, (A)는 전체 입자 구조의 거시적 관점을 제공하는 대표적인 Cryo-EM 현미경 사진이다. (B)는 리포플렉스의 정렬된 구조를 강조하는 패널 (A)의 빨간색 상자 영역의 확대 이미지이다. (C)는 패널 B의 푸리에 변환 이미지로 반복 거리를 분석한 결과이다. (D)는 패널 B의 파란색 사각형 영역의 픽셀 강도 프로파일이고 여기서 낮은 강도는 이미지에서 더 높은 지질 밀도를 갖는 어두운 영역을 나타낸다.Figures 10A and 10B show representative analytical results for comparison of self-assembled structures between E400 (Figure 10A) and LC-based lipoplexes (Figure 10B). In Figures 10A and 10B, (A) is a representative cryo-EM micrograph providing a macroscopic view of the overall particle structure. (B) is a magnified image of the red boxed area in panel (A) highlighting the ordered structure of the lipoplexes. (C) is the result of repeat distance analysis of the Fourier transform image of panel B. (D) is the pixel intensity profile of the blue square area in panel B, where lower intensities indicate darker regions with higher lipid density in the image.
도 11은 Cryo-EM 이미지에서 픽셀 강도 프로파일을 사용하여 분석한 LC 및 LC 기반 리포플렉스의 층간 간격을 비교한 도면이다 (각 샘플당 n > 20, 평균 ± S.D.). I 및 O는 각각 LC-6 리포플렉스의 내부 및 외부 부분을 나타낸다. P 값이 <0.05인 경우 통계적으로 유의한 것으로 간주되었다 (*p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001).Figure 11 is a diagram comparing the interlayer spacing of LC and LC-based lipoplexes analyzed using pixel intensity profiles in cryo-EM images (n > 20 for each sample, mean ± S.D.). I and O represent the inner and outer portions of LC-6 lipoplexes, respectively. A p value of <0.05 was considered statistically significant (*p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001).
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 정밀하게 제어된 동결-해동 기반 방법인 Liposome under Cryo-Assembly (LUCA) 사이클을 이용하여 양이온성 리포좀 및 리포플렉스를 제조하는 것을 특징으로 한다. The present invention is characterized by producing cationic liposomes and lipoplexes using a precisely controlled freeze-thaw based method, the Liposome under Cryo-Assembly (LUCA) cycle.
하나의 양태로서, 본 발명은 하기 단계를 포팜하는 RNA를 포함하는 리포플렉스를 제조하는 방법에 관한 것이다. In one aspect, the present invention relates to a method for preparing a lipoplex comprising RNA comprising the following steps.
(a) 장쇄 양이온성 지질, 및 단쇄 지질을 유기 용매에 용해시켜 지질 용액을 제조한 후, 질소 가스 흐름 하에서 건조시켜 상기 유기 용매를 증발 시켜 건조된 지질막을 수득하는 단계;(a) a step of preparing a lipid solution by dissolving a long-chain cationic lipid and a short-chain lipid in an organic solvent, and then drying the solution under a nitrogen gas flow to evaporate the organic solvent and obtain a dried lipid film;
(b) 상기 단계에서 수득한 건조된 지질막을 수성용매로 수화시켜 지질 현탁액을 제조하는 단계; 및(b) a step of preparing a lipid suspension by hydrating the dried lipid film obtained in the above step with an aqueous solvent; and
(c) 상기 단계에서 제조된 수화된 지질 현탁액을 액체 질소에 침지시킨 후, 10 내지 80℃ 수욕에서 해동시키고, 이후 5 내지 60초 동안 볼텍싱하는 공정을 1 내지 10회 반복하여 양이온성 리포좀을 제조하는 단계.(c) A step of preparing a cationic liposome by immersing the hydrated lipid suspension prepared in the above step in liquid nitrogen, thawing it in a water bath at 10 to 80°C, and then vortexing it for 5 to 60 seconds, repeating this process 1 to 10 times.
또 하나의 양태로서, 본 발명은 상기 양이온성 리포좀을 제조하는 방법을 이용하는 RNA를 포함하는 리포플렉스의 제조방법에 관한 것이다.In another aspect, the present invention relates to a method for preparing a lipoplex comprising RNA using the method for preparing the cationic liposome.
구체적으로 상기 리포플렉스의 제조방법은 다음의 단계를 포함한다: Specifically, the method for manufacturing the above lipoplex comprises the following steps:
또 다른 일 측면으로, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 RNA를 포함하는 리포플렉스를 제조하는 방법을 제공한다:In another aspect, the present invention provides a method for preparing a lipoplex comprising RNA, comprising the following steps:
(i) 장쇄 양이온성 지질, 및 단쇄 지질을 유기 용매에 용해시켜 지질 용액을 제조한 후, 질소 가스 흐름 하에서 건조시켜 상기 유기 용매를 증발 시켜 건조된 지질막을 수득하는 단계;(i) a step of preparing a lipid solution by dissolving a long-chain cationic lipid and a short-chain lipid in an organic solvent, and then drying the solution under a nitrogen gas flow to evaporate the organic solvent and obtain a dried lipid film;
(ii) 상기 단계에서 수득한 건조된 지질막을 수성용매로 수화시켜 지질 현탁액을 제조하는 단계; (ii) a step of preparing a lipid suspension by hydrating the dried lipid film obtained in the above step with an aqueous solvent;
(iii) 상기 단계에서 제조된 수화된 지질 현탁액을 액체 질소에 침지시킨 후, 10 내지 80℃ 수욕에서 해동시키고, 이후 5 내지 60초 동안 볼텍싱하는 공정을 1 내지 8회 반복하여 양이온성 리포좀을 제조하는 단계; 및(iii) a step of preparing a cationic liposome by immersing the hydrated lipid suspension prepared in the above step in liquid nitrogen, thawing it in a water bath at 10 to 80°C, and then vortexing it for 5 to 60 seconds, repeating the process 1 to 8 times; and
(iv) RNA를 수성용매로 희석하여 RNA 용액을 제조하고, 이에 상기 단계 (iii)에서 제조된 양이온성 리포좀을 가하고 교반하여 RNA를 포함하는 리포플렉스를 제조하는 단계.(iv) a step of diluting RNA with an aqueous solvent to prepare an RNA solution, adding the cationic liposome prepared in step (iii) thereto and stirring to prepare a lipoplex containing RNA.
본 발명에 따른 양이온성 리포좀의 제조방법 또는 RNA를 포함하는 리포플렉스의 제조방법은 박막 수화법(thin-film hydration)에 이어 본 발명 특유의 동결-해동 기반 방법을 사용하는 것을 특징으로 한다. The method for producing a cationic liposome or a method for producing a lipoplex containing RNA according to the present invention is characterized by using a freeze-thaw-based method unique to the present invention followed by a thin-film hydration method.
상기 단계 (a) 또는 단계 (i)은 박막 수화법에 따라 건조된 지질막을 수득하는 단계로, 장쇄 양이온성 지질 및 단쇄 지질을 유기 용매에 용해시켜 지질 용액을 제조한 후, 질소 가스 흐름 하에서 건조시켜 상기 유기 용매를 증발시켜 건조된 지질막을 수득하는 것에 의해 수행되는 것이다. The above step (a) or step (i) is a step for obtaining a dried lipid film according to a thin film hydration method, and is performed by dissolving a long-chain cationic lipid and a short-chain lipid in an organic solvent to prepare a lipid solution, and then drying under a nitrogen gas flow to evaporate the organic solvent to obtain a dried lipid film.
상기 단계들에서, 장쇄 양이온성 지질 및 단쇄 지질을 유기 용매에 용해시키는 것은 가열하여 수행할 수 있다. 예를 들면, 35℃ ~ 55℃, 바람직하게는 40℃ ~ 50℃로 가열할 수 있다.In the above steps, dissolving the long-chain cationic lipid and the short-chain lipid in the organic solvent can be performed by heating. For example, heating can be performed at 35°C to 55°C, preferably 40°C to 50°C.
본 발명에서, "양이온성 지질"은 순 양전하를 갖는 지질을 지칭한다. 양이온성 지질은 지질 매트릭스에 대한 정전기적 상호 작용에 의해, 음으로 하전된 RNA에 결합한다. 일반적으로, 양이온성 지질은 스테롤, 아실 또는 디아실 사슬과 같은 친유성 모이어티를 가지며, 지질의 헤드 그룹은 전형적으로 양전하를 띤다. 본 발명에서, 양이온성 지질은 음이온성을 띠는 헥산을 붙잡는 용도 및 리포좀을 구성하는 뼈대를 이루는 것을 목적으로 한다. In the present invention, "cationic lipid" refers to a lipid having a net positive charge. Cationic lipids bind to negatively charged RNA by electrostatic interaction with the lipid matrix. Generally, cationic lipids have lipophilic moieties such as sterol, acyl or diacyl chains, and the head group of the lipid is typically positively charged. In the present invention, the cationic lipid is intended to be used for capturing anionic hexane and forming a framework for forming liposomes.
또한 본 발명에서 사용되는 장쇄 양이온성 지질은 장쇄 지질로서 양이온성을 나타내는 지질이며, 장쇄 인지질일 수 있다. 예를 들어 1,2-디-O-옥타데세닐-3-트리메틸암모늄 프로판 (DOTMA), 디메틸디옥타데실암모늄 (DDAB); 1,2-디올레일-3-트 리메틸암모늄 프로판 (DOTAP); 1,2-디올레일-3-디메틸암모늄-프로판 (DODAP); 1,2-디아실옥시-3-디메틸암모늄 프로판; 1,2-디알킬옥시-3- 디메틸암모늄 프로판; 디옥타데실디메틸 암모늄 클로라이드 (DODAC), 2,3-디(테트라데콕시)프로필-(2-하이드록시에틸)-디메틸아자늄 (DMRIE), 1,2-디미리스토일-sn-글리세로-3-에틸포스포콜린 (DMEPC), l,2-디미리스토일-3-트리메틸암모늄 프로판 (DMTAP), 1,2-디올레일옥시프로필-3-디메틸-하이드록시에 틸 암모늄 브로마이드 (DORIE), 및 2,3-디올레일옥시-N-[2(스퍼민 카복사마이드)에틸]-N,N-디메틸-l-프로파나뮴 트리플루오로아세테이트 (DOSPA)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으나 이에 국한되는 것은 아니다. DOTMA, DOTAP, DODAC 또는 DOSPA가 바람직하다. 특정 구체예에서, 하나 이상의 양이온성 지질은 DOTMA 및/또는 DOTAP이다. In addition, the long-chain cationic lipid used in the present invention is a long-chain lipid that exhibits cationicity and may be a long-chain phospholipid. For example, 1,2-di-O-octadecenyl-3-trimethylammonium propane (DOTMA), dimethyldioctadecylammonium (DDAB); 1,2-dioleyl-3-trimethylammonium propane (DOTAP); 1,2-dioleyl-3-dimethylammonium-propane (DODAP); 1,2-diacyloxy-3-dimethylammonium propane; 1,2-dialkyloxy-3-dimethylammonium propane; The compound may be at least one selected from the group consisting of dioctadecyldimethyl ammonium chloride (DODAC), 2,3-di(tetradecoxy)propyl-(2-hydroxyethyl)-dimethylazanium (DMRIE), 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-ethylphosphocholine (DMEPC), l,2-dimyristoyl-3-trimethylammonium propane (DMTAP), 1,2-dioleyloxypropyl-3-dimethyl-hydroxyethyl ammonium bromide (DORIE), and 2,3-dioleyloxy-N-[2(spermine carboxamide)ethyl]-N,N-dimethyl-l-propanamium trifluoroacetate (DOSPA), but is not limited thereto. DOTMA, DOTAP, DODAC or DOSPA is preferred. In certain embodiments, the one or more cationic lipids are DOTMA and/or DOTAP.
본 발명에 따른 양이온성 리포좀 또는 리포플렉스의 제조시 사용되는 장쇄 양이온성 지질의 함량은 0.1 내지 100mM 이나 이에 제한되는 것은 아니다. The content of long-chain cationic lipid used in the preparation of cationic liposomes or lipoplexes according to the present invention is 0.1 to 100 mM, but is not limited thereto.
본 발명에서 사용되는 단쇄 지질은, 생성되는 리포좀의 특성을 조절하여 리포좀의 모양과 안정성에 영향을 줄 수 있다. 이러한 단쇄 지질은 예를 들면, 단쇄 인지질일 수 있고, 구체적으로, 1,2-디프로피오닐-sn-글리세로-3-포스포콜린(1,2-dipropionyl-snglycero-3-phosphocholine, 3:0 PC), 1,2-디뷰티릴-sn-글리세로-3-포스포콜린(1,2-dibutyryl-sn-glycero-3-phosphocholine, 4:0 PC), 1,2-디펜타노일-sn-글리세로-3-포스포콜린(1,2-dipentanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine, 5:0 PC), 1,2-디헥사노일-sn-글리세로-3-포스포콜린(1,2-dihexanoyl-sn-glycero-3- phosphocholine, 6:0 PC, DHPC), 1,2-디헵타노일-sn-글리세로-3-포스포콜린(1,2-diheptanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine, 7:0 PC, DHPC) 및 1,2-디옥타노일-sn-글리세로-3-포스포콜린(1,2-dioctanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine, 8:0 PC)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게, 상기 단쇄 지질은 DHPC일 수 있다.The short-chain lipids used in the present invention can affect the shape and stability of liposomes by controlling the properties of the liposomes produced. Such short-chain lipids can be, for example, short-chain phospholipids, and specifically, 1,2-dipropionyl-sn-glycero-3-phosphocholine (3:0 PC), 1,2-dibutyryl-sn-glycero-3-phosphocholine (4:0 PC), 1,2-dipentanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (5:0 PC), 1,2-dihexanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (6:0 PC, DHPC), It may be at least one selected from the group consisting of 1,2-diheptanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (7:0 PC, DHPC) and 1,2-dioctanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (8:0 PC), but is not limited thereto. Preferably, the short-chain lipid may be DHPC.
본 발명에 따른 양이온성 리포좀 또는 리포플렉스의 제조시 사용되는 단쇄 지질의 함량은 0.1 내지 100mM 이나 이에 제한되는 것은 아니다. The content of short-chain lipids used in the preparation of cationic liposomes or lipoplexes according to the present invention is 0.1 to 100 mM, but is not limited thereto.
또 하나의 구체예에서, 제조되는 양이온성 리포좀의 총 양전하 대 음전하 비 및 물리적 안정성을 조정하고, 리포좀의 강도 및 안정성을 높여주며 막 융합을 촉진하기 위해, 추가적인 지질을 포함시켜 상기 지질 용액을 제조할 수 있다. 특정 구체예에서, 추가적인 지질은 중성 지질이다. 본 발명에서, "중성 지질"은 순 전하가 0인 지질을 지칭한다. 중성 지질의 예는 1,2-디-(9Z-옥타데세노일)-sn-글리세로-3-포스포에탄올아민 (DOPE), 1,2-디올레일-sn-글리세로-3-포스포콜린 (DOPC), 디아실포스파티딜콜린, 디아실포스파티딜 에탄올 아민, 세라마이드, 스핑고미엘린, 세팔린, 콜레스테롤, 및 세레브로사이드를 포함하지만, 이에 국한되지는 않는다. 특정 구체예에서, 상기 추가의 지질은 DOPE, 콜레스테롤 및/또는 DOPC이다. In another embodiment, the lipid solution can be prepared by including additional lipids to adjust the overall positive to negative charge ratio and physical stability of the cationic liposomes being prepared, to increase the strength and stability of the liposomes, and to promote membrane fusion. In a specific embodiment, the additional lipid is a neutral lipid. As used herein, "neutral lipid" refers to a lipid having a net charge of zero. Examples of neutral lipids include, but are not limited to, 1,2-di-(9Z-octadecenoyl)-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE), 1,2-dioleyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC), diacylphosphatidylcholine, diacylphosphatidyl ethanolamine, ceramides, sphingomyelins, cephalins, cholesterol, and cerebrosides. In certain embodiments, the additional lipid is DOPE, cholesterol and/or DOPC.
예시적인 구체예에서, 상기 장쇄 양이온성 지질은 DOTAP이고, 단쇄 지질은 DHPC이고, 추가적인 지질은 DOPE이다. In an exemplary embodiment, the long-chain cationic lipid is DOTAP, the short-chain lipid is DHPC, and the additional lipid is DOPE.
본 발명에 따른 양이온성 리포좀 또는 리포플렉스의 제조시 사용되는 추가적인 지질의 함량은 0.1 내지 100mM이나 이에 제한되는 것은 아니다. The content of additional lipid used in the preparation of cationic liposomes or lipoplexes according to the present invention is 0.1 to 100 mM, but is not limited thereto.
상기 장쇄 양이온성 지질과 단쇄 지질, 또는 장쇄 양이온성 지질 및 추가 지질과 단쇄 지질은 필요에 따라 적절한 비율로 혼합될 수 있다.The above long-chain cationic lipid and short-chain lipid, or the long-chain cationic lipid and additional lipid and short-chain lipid can be mixed in an appropriate ratio as needed.
일부 구체예에서, 장쇄 양이온성 지질 대 단쇄 지질의 몰비는 4:1 내지 1:2, 또는 3:1 내지 약 1:1이다. 예시적인 구체예에서, 상기 양이온성 지질 대 단쇄 지질의 몰비는 2: 1 또는 1:1이다. In some embodiments, the molar ratio of long-chain cationic lipid to short-chain lipid is from 4:1 to 1:2, or from 3:1 to about 1:1. In exemplary embodiments, the molar ratio of the cationic lipid to short-chain lipid is 2:1 or 1:1.
일부 구체예에서, 추가적인 지질을 포함하는 경우, 장쇄 양이온성 지질 대 추가 지질의 몰비는 4:1 내지 약 1:2, 또는 3:1 내지 약 1:1이다. 예시적인 구체예에서, 상기 양이온성 지질 대 추가 지질 지질의 몰비는 약 1:1 이다. In some embodiments, when including an additional lipid, the molar ratio of long-chain cationic lipid to the additional lipid is from about 4:1 to about 1:2, or from about 3:1 to about 1:1. In an exemplary embodiment, the molar ratio of the cationic lipid to the additional lipid is about 1:1.
상기 단계 (a) 또는 (i)에서 사용되는 유기 용매는 장쇄 양이온성 지질, 단쇄 지질 및 추가의 지질을 모두 용해시켜 지질 용액을 제조할 수 있는 것이라면 제한없이 사용할 수 있다. 비제한적인 예로서, 상기 유기 용매는 휘발성 유기용매로서 에탄올, 메탄올, 디클로로메탄, 클로로포름, 테트라하이드로퓨란, 에틸아세테이트, 및 에테르로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종이나 2 종 이상의 조합을 사용할 수 있다. The organic solvent used in the above step (a) or (i) may be used without limitation as long as it can dissolve all of the long-chain cationic lipids, short-chain lipids, and additional lipids to prepare a lipid solution. As a non-limiting example, the organic solvent may be one or a combination of two or more selected from the group consisting of ethanol, methanol, dichloromethane, chloroform, tetrahydrofuran, ethyl acetate, and ether as volatile organic solvents.
상기 단계 (a)에서, 상기 지질들 및 유기 용매를 혼합하여 제조된 지질 용액을 질소 가스 흐름 하에서 부드럽게 건조한 후 용매를 증발시켜 건조막을 수득하게되며, 이때 질소의 유량은 2 내지 20L/분일 수 있다. In the above step (a), the lipid solution prepared by mixing the lipids and the organic solvent is gently dried under a nitrogen gas flow, and then the solvent is evaporated to obtain a dry film. At this time, the flow rate of nitrogen can be 2 to 20 L/min.
본 발명에 따른 구체적인 일 실시예에서는, 상기 지질 용액을 질소 가스 흐름 하에서 부드럽게 건조한 후 진공 데시케이터에서 하룻밤 동안 배양하여 용매를 증발시켰다. In a specific embodiment according to the present invention, the lipid solution was gently dried under a nitrogen gas flow and then incubated overnight in a vacuum desiccator to evaporate the solvent.
상기 단계 (b) 또는 단계 (ii)는 단계 (a) 또는 (i)에서 수득한 건조된 지질막을 수성용매로 수화시켜 지질 현탁액을 제조하는 단계이다. 상기 수성용매는 멸균정제수, 증류수, 생리식염수 또는 주사용수일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 수성용매는 건조된 지질막을 수화시키는데 충분한 양을 적절히 조정하여 사용할 수 있다. The above step (b) or step (ii) is a step of preparing a lipid suspension by hydrating the dried lipid film obtained in step (a) or (i) with an aqueous solvent. The aqueous solvent may be, but is not limited to, sterile purified water, distilled water, physiological saline solution, or water for injection. The aqueous solvent may be used in an appropriate amount adjusted to be sufficient to hydrate the dried lipid film.
상기 단계 (c) 또는 단계 (iii)는 상기 단계 (b) 또는 (ii)에서 제조된 수화된 지질 현탁액으로부터 양이온성 리포좀을 수득하는 단계로, 상기 지질 현탁액을 정밀하게 제어된 동결-해동 기반 방법인 Liposome under Cryo-Assembly (LUCA) 사이클을 이용하는 것을 특징으로 한다.The step (c) or step (iii) is a step of obtaining cationic liposomes from the hydrated lipid suspension prepared in the step (b) or (ii), characterized in that the lipid suspension is prepared using a precisely controlled freeze-thaw-based method, Liposome under Cryo-Assembly (LUCA) cycle.
구체적으로 상기 지질 현탁액을 액체 질소에 침지시킨 후, 수욕에서 해동시키고, 이후 볼텍싱하는 공정을 1 내지 8회 반복하는 공정에 의해 수행될 수 있다. Specifically, it can be performed by a process of immersing the lipid suspension in liquid nitrogen, thawing it in a water bath, and then vortexing it, repeating the process 1 to 8 times.
상기 해동시 수욕의 온도는 10 내지 80℃ 또는 60℃일 수 있다. The temperature of the water bath during the above thawing can be 10 to 80°C or 60°C.
해동 이후 볼텍싱하는 시간은 5 내지 60초, 또는 30초일 수 있다.The vortexing time after thawing can be 5 to 60 seconds, or 30 seconds.
이러한 액체 질소 침지, 해동 및 볼텍싱의 공정은 1 내지 8 회, 또는 5회 수행하는 것이 바람직하다.It is preferable to perform this process of liquid nitrogen immersion, thawing and vortexing 1 to 8 times, or 5 times.
이와 같이 정밀하게 동결, 해동 기반 사이클을 조절하는 것에 의해 본 발명에 따라 제조되는 양이온성 리포좀은 기존의 리포좀 시스템에서는 보고되지 않은 고유한 동심원 다중 라멜라 구조를 가진다. 일반적으로 동결-해동 방법은 라멜라성을 감소시켜 단일 라멜라 구조를 생성하게 하여, 밀집되고 높은 수준으로 정렬된 동심 다중 라멜라 구조를 가지게 하기 위해서는 일반적으로 전단응력 및/또는 높은 염 농도를 갖는 보조 계면활성제의 존재를 필요로 하였으나, 본 발명의 제조방법은 이러한 전단응력 사용 및/또는 높은 염 농도를 가지는 보조 계면활성제의 사용없이도 제조되는 양이온성 리포좀이 동심원 다중 라멜라 구조를 가지게 한다. By precisely controlling the freeze-thaw-based cycles in this way, the cationic liposomes produced according to the present invention have a unique concentric multilamellar structure that has not been reported in conventional liposome systems. In general, the freeze-thaw method reduces the lamellae to produce a single-lamellar structure, and in order to have a dense and highly ordered concentric multilamellar structure, the presence of an auxiliary surfactant having a shear stress and/or a high salt concentration is generally required. However, the production method of the present invention allows the cationic liposomes to have a concentric multilamellar structure without the use of such shear stress and/or the use of an auxiliary surfactant having a high salt concentration.
또한, 상기 단계 (iv)는 상기 단계 (iii)로 제조되는 양이온성 리포좀을 사용하여 RNA를 포함하는 리포플렉스를 제조하는 단계로, 구체적으로 RNA를 수성용매로 희석하여 RNA 용액을 제조하고, 이에 상기 단계 (iii)에서 제조된 양이온성 리포좀을 가하고 교반하여 RNA를 포함하는 리포플렉스를 제조하는 것에 의해 수행된다.In addition, the step (iv) is a step for preparing a lipoplex containing RNA using the cationic liposome prepared in the step (iii), and is specifically performed by diluting RNA with an aqueous solvent to prepare an RNA solution, adding the cationic liposome prepared in the step (iii) thereto, and stirring to prepare a lipoplex containing RNA.
상기 단계에서 사용되는 “수성용매”는 상기 단계 (b) 또는 단계 (ii)와 마찬가지로, 멸균정제수, 증류수, 생리식염수 또는 주사용수일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 수성용매는 RNA를 희석하기 위해 충분한 양으로 적절히 조절하여 사용될 수 있다. The “aqueous solvent” used in the above step may be, but is not limited to, sterile purified water, distilled water, saline solution or water for injection, similar to step (b) or step (ii). The aqueous solvent may be appropriately adjusted to be used in a sufficient amount to dilute RNA.
본 명세서에서 사용되는 용어 "RNA"는 리보뉴클레오타이드 잔기를 포함하는 핵산 분자에 관한 것이다. 바람직한 구체예에서, RNA는 모든 또는 대부분의 리보뉴클레오타이드 잔기를 함유한다. 상기, "리보뉴클레오타이드"는 β-D-리보푸라노실기의 2'-위치에 하이드록시기를 갖는 뉴클레오타이드를 지칭한다. RNA는 이중 가닥 RNA, 단일 가닥 RNA, 단리된 RNA, 예컨대 부분 정제된 RNA, 본질적으로 순수한 RNA, 합성 RNA, 재조합적으로 생성된 RNA, 및 하나 이상의 뉴클레오타이드의 부가, 결실, 치환에 의해 자연 발생 RNA와 다른 변형된 RNA를 제한없이 포함한다. 이러한 변경은 RNA 뉴클레오타이드 내부 또는 RNA의 말단(들)에 비-뉴클레오타이드 물질의 첨가를 지칭할 수 있다. RNA에서 뉴클레오타이드는 화학적으로 합성된 뉴클레오타이드 또는 데옥시뉴클레오타이드와 같은 비-표준 뉴클레오타이드일 수 있음이 또한 고려된다. 본 명세서의 경우, 이러한 변형된 RNA는 자연 발생 RNA의 유사체로 간주된다. 본 명세서의 특정 구체예에서, RNA는 펩타이드 또는 단백질을 인코딩하는 RNA 전사체에 관한 메신저 RNA (mRNA)이다. 당업계에 확립된 바와 같이, mRNA는 일반적으로 5' 비번역 영역 (5'-UTR), 펩타이드 코딩 영역 및 3 ' 비번역 영역 (3'-UTR)을 함유한다. 일부 구체예에서, RNA는 시험관내 전사 또는 화학적 합성에 의해 생성된다. 한 구체예에서, mRNA는 DNA 주형을 사용하는 시험관내 전사에 의해 생성되며, 여기서 DNA는 데옥시리보뉴클레오 타이드를 함유하는 핵산을 지칭한다. 한 구체예에서, RNA는 시험관내 전사된 RNA (IVT-RNA)이고 적절한 DNA 주형의 시험관내 전사에 의해 수득될 수 있다. 전사를 제어하기 위한 프로모터는 임의의 RNA 폴리머라아제에 대한 임의의 프로모터일 수 있다. 시험관내 전사를 위한 DNA 주형은 핵산, 특히 cDNA의 클로닝 및 그것을 시험관내 전사를 위한 적절한 벡터 내로 도입함으 로써 수득될 수 있다. cDNA는 RNA의 역전사에 의해 수득될 수 있다. The term "RNA" as used herein relates to a nucleic acid molecule comprising ribonucleotide residues. In a preferred embodiment, the RNA contains all or most ribonucleotide residues. As used herein, "ribonucleotide" refers to a nucleotide having a hydroxyl group at the 2'-position of the β-D-ribofuranosyl group. RNA includes, without limitation, double-stranded RNA, single-stranded RNA, isolated RNA, such as partially purified RNA, essentially pure RNA, synthetic RNA, recombinantly produced RNA, and modified RNA that differs from naturally occurring RNA by addition, deletion, or substitution of one or more nucleotides. Such alterations may refer to the addition of non-nucleotide material within the RNA nucleotides or to the terminus(s) of the RNA. It is also contemplated that the nucleotides in RNA may be non-standard nucleotides, such as chemically synthesized nucleotides or deoxynucleotides. For the purposes of this specification, such modified RNA is considered an analogue of naturally occurring RNA. In certain embodiments of the present disclosure, the RNA is messenger RNA (mRNA), which is an RNA transcript encoding a peptide or protein. As is well known in the art, mRNA generally contains a 5' untranslated region (5'-UTR), a peptide coding region, and a 3' untranslated region (3'-UTR). In some embodiments, the RNA is produced by in vitro transcription or chemical synthesis. In one embodiment, the mRNA is produced by in vitro transcription using a DNA template, where DNA refers to a nucleic acid containing deoxyribonucleotides. In one embodiment, the RNA is in vitro transcribed RNA (IVT-RNA) and can be obtained by in vitro transcription of a suitable DNA template. The promoter for controlling transcription can be any promoter for any RNA polymerase. The DNA template for in vitro transcription can be obtained by cloning a nucleic acid, particularly a cDNA, and introducing it into a suitable vector for in vitro transcription. cDNA can be obtained by reverse transcription of RNA.
본 명세서의 특정 구체예에서, 본 발명의 제조방법에서 사용되는 RNA는 제조되는 전체 리포플렉스 대비 약 0.01 mg/mL 내지 1 mg/mL, 또는 약 0.05 mg/mL 내지 약 0.5 mg/mL의 농도이다. 특정 구체예에서, RNA는 약 0.05 mg/mL, 약 0.06 mg/mL, 약 0.07 mg/mL, 약 0.08 mg/mL, 약 0.09 mg/mL, 약 0.10 mg/mL, 약 0.11 mg/mL, 약 0.12 mg/mL, 약 0.13 mg/mL, 약 0.14 mg/mL, 약 0.15 mg/mL, 약 0.16 mg/mL, 약 0.17 mg/mL, 약 0.18 mg/mL, 약 0.19 mg/mL, 약 0.20 mg/mL, 약 0.21 mg/mL, 약 0.22 mg/mL, 약 0.23 mg/mL, 약 0.24 mg/mL, 약 0.25 mg/mL, 약 0.26 mg/mL, 약 0.27 mg/mL, 약 0.28 mg/mL, 약 0.29 mg/mL, 약 0.30 mg/mL, 약 0.31 mg/mL, 약 0.32 mg/mL, 약 0.33 mg/mL, 약 0.34 mg/mL, 약 0.35 mg/mL, 약 0.36 mg/mL, 약 0.37 mg/mL, 약 0.38 mg/mL, 약 0.39 mg/mL, 약 0.40 mg/mL, 약 0.41 mg/mL, 약 0.42 mg/mL, 약 0.43 mg/mL, 약 0.44 mg/mL, 약 0.45 mg/mL, 약 0.46 mg/mL, 약 0.47 mg/mL, 약 0.48 mg/mL, 약 0.49 mg/mL, 또는 약 0.50 mg/mL의 농도이다. 예시적 구체예에서, RNA는 0.05 mg/mL의 농도이다.In certain embodiments of the present disclosure, the RNA used in the manufacturing method of the present invention is at a concentration of about 0.01 mg/mL to 1 mg/mL, or about 0.05 mg/mL to about 0.5 mg/mL, relative to the total lipoplex being manufactured. In certain embodiments, the RNA is present at about 0.05 mg/mL, about 0.06 mg/mL, about 0.07 mg/mL, about 0.08 mg/mL, about 0.09 mg/mL, about 0.10 mg/mL, about 0.11 mg/mL, about 0.12 mg/mL, about 0.13 mg/mL, about 0.14 mg/mL, about 0.15 mg/mL, about 0.16 mg/mL, about 0.17 mg/mL, about 0.18 mg/mL, about 0.19 mg/mL, about 0.20 mg/mL, about 0.21 mg/mL, about 0.22 mg/mL, about 0.23 mg/mL, about 0.24 mg/mL, about 0.25 mg/mL, about 0.26 mg/mL, about 0.27 mg/mL, about at a concentration of about 0.28 mg/mL, about 0.29 mg/mL, about 0.30 mg/mL, about 0.31 mg/mL, about 0.32 mg/mL, about 0.33 mg/mL, about 0.34 mg/mL, about 0.35 mg/mL, about 0.36 mg/mL, about 0.37 mg/mL, about 0.38 mg/mL, about 0.39 mg/mL, about 0.40 mg/mL, about 0.41 mg/mL, about 0.42 mg/mL, about 0.43 mg/mL, about 0.44 mg/mL, about 0.45 mg/mL, about 0.46 mg/mL, about 0.47 mg/mL, about 0.48 mg/mL, about 0.49 mg/mL, or about 0.50 mg/mL. In an exemplary embodiment, the RNA is at a concentration of 0.05 mg/mL.
또 하나의 구체적인 예로, 본 발명에서는 상기 단계 (iv)에서 안정적이고 효율적인 리포플렉스 형성을 달성하기 위한 전하비가 1 내지 7인 것을 특징으로 한다. 본 발명에서, 전하비(N/P)는 양이온성 지질의 양으로 하전된 아민기(N = 질소)와 RNA 중의 음전하를 띤 인산기(P)의 몰비를 나타내는 것이다. 상기 N/P 비율은 리포플렉스의 전하 비율과 전체적인 전하를 결정한다. As another specific example, the present invention is characterized in that the charge ratio is 1 to 7 for achieving stable and efficient lipoplex formation in the step (iv). In the present invention, the charge ratio (N/P) represents the molar ratio of the positively charged amine group (N = nitrogen) of the cationic lipid and the negatively charged phosphate group (P) in RNA. The N/P ratio determines the charge ratio and the overall charge of the lipoplex.
본 발명에 따라 제조된 리포플렉스의 전하비(N/P)는 1 내지 7, 바람직하게는 1.5 내지 6일 수 있다. The charge ratio (N/P) of the lipoplex manufactured according to the present invention may be 1 to 7, preferably 1.5 to 6.
본 발명자들은 리포플렉스의 제조방법에서 리포플렉스의 전하비를 조정하는 경우, 약물을 원하는 장기에 선택적으로 전달할 수 있음을 확인하였다. 구체적인 일 실시예에서, 본 발명자들은 리포플렉스의 N/P를 조정한 결과, N/P 비율이 3인 양이온성 리포플렉스는 주로 비장에서 루시퍼라아제 발현을 보였으며, N/P 비율이 6인 양이온성 리포플렉스는 폐와 비장 모두에서 루시퍼라아제 발현을 보임을 확인하였고, 음이온성 리포플렉스는 비장 특이적인 표적 능력을 나타냄을 확인하였다. 본 발명의 제조방법에 따라 리포플렉스의 N/P를 조절하는 경우, 원하는 장기, 바람직하게는 폐 또는 비장, 더욱 바람직하게는 폐에 장기 특이적으로 원하는 약물을 전달할 수 있다. 이는 종래 통상의 중성 지질나노입자(LNP) 주로 간을 표적으로 하여 전달되는 것과는 큰 차이점을 가진다. 즉, 중성지질나노입자는 주로 간을 표적으로 하는 반면, 본 발명에 따르는 제조방법에 의해 제조되는 리포플렉스들은 N/P 전하비를 조정함으로써 다른 특정 장기를 표적으로 삼을 수 있다. 양이온성 리포플렉스는 폐 또는 폐와 비장 모두를 표적으로 삼을 수 있는 능력을 보여준 반면, 음이온성 리포플렉스는 비장을 특이적으로 표적으로 삼는다. 이러한 현상은 예를 들어, 비장의 수지상 세포를 표적으로 하는 백신 개발로 이어질 수 있다. 또한, 유사한 표면 전하 의존적 선택적 장기 표적화(SORT) LNP가 기존 LNP에 하전된 지질을 포함시켜 설계되었다. The present inventors have confirmed that when the charge ratio of the lipoplex is adjusted in the manufacturing method of the lipoplex, a drug can be selectively delivered to a desired organ. In a specific example, the present inventors confirmed that when the N/P of the lipoplex is adjusted, a cationic lipoplex having an N/P ratio of 3 showed luciferase expression mainly in the spleen, a cationic lipoplex having an N/P ratio of 6 showed luciferase expression in both the lungs and the spleen, and an anionic lipoplex showed spleen-specific targeting ability. When the N/P of the lipoplex is adjusted according to the manufacturing method of the present invention, a desired drug can be delivered to a desired organ, preferably the lung or spleen, and more preferably the lung, in an organ-specific manner. This is significantly different from the conventional neutral lipid nanoparticles (LNPs) that mainly target and deliver the drug to the liver. That is, while neutral lipid nanoparticles primarily target the liver, lipoplexes manufactured by the manufacturing method according to the present invention can target other specific organs by adjusting the N/P charge ratio. Cationic lipoplexes have shown the ability to target the lung or both the lung and spleen, whereas anionic lipoplexes specifically target the spleen. This phenomenon may lead to the development of vaccines targeting splenic dendritic cells, for example. In addition, similar surface charge-dependent selective organ targeting (SORT) LNPs have been designed by incorporating charged lipids into existing LNPs.
본 발명의 리포플렉스 제조방법에 따라 제조된 리포플렉스는 입자 크기가 200 nm ~ 2000 nm, 200 nm ~ 1000 nm, 200 nm ~ 700 nm, 300 nm ~ 2000 nm, 300 nm ~ 1000 nm, 300 nm ~ 700 nm, 바람직하게는 약 300 nm ~ 500 nm이다. The lipoplex manufactured according to the method for manufacturing a lipoplex of the present invention has a particle size of 200 nm to 2000 nm, 200 nm to 1000 nm, 200 nm to 700 nm, 300 nm to 2000 nm, 300 nm to 1000 nm, 300 nm to 700 nm, preferably about 300 nm to 500 nm.
또한, 본 발명의 리포플렉스 제조방법에 따라 제조된 리포플렉스의 다분산지수(PDI)는 0 내지 0.4, 바람직하게는 0.1 ~ 0.4이다. 또한, 본 발명의 리포플렉스의 제타 전위는 10 ~ 60 mV, 바람직하게는 약 30 ~ 50 mV이다.In addition, the polydispersity index (PDI) of the lipoplex manufactured according to the method for manufacturing the lipoplex of the present invention is 0 to 0.4, preferably 0.1 to 0.4. In addition, the zeta potential of the lipoplex of the present invention is 10 to 60 mV, preferably about 30 to 50 mV.
또한 본 발명의 리포플렉스 제조방법에 따라 제조된 리포플렉스는 0.2 내지 8.0, 0.3 내지 6.0, 0.4 내지 5.0, 0.5 내지 4.0, 0.5 내지 3.0 또는 0.5 내지 2.0의 Q 비율을 나타낸다. Additionally, the lipoplex manufactured according to the lipoplex manufacturing method of the present invention exhibits a Q ratio of 0.2 to 8.0, 0.3 to 6.0, 0.4 to 5.0, 0.5 to 4.0, 0.5 to 3.0, or 0.5 to 2.0.
“Q 비율”은 등방성 바이셀(isotropic bicelles)에서 단쇄 지질에 대한 장쇄 지질의 몰비율을 의미하는 것으로, 본 발명에서, 리포플렉스 중의 단쇄 지질의 총합에 대한 장쇄 양이온성 지질의 총합(추가 지질을 더 포함하는 경우 장쇄 양이온성 지질 및 추가 지질의 총합)의 몰비율을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에서는 리포플렉스의 제조를 위한 장쇄 양이온성 지질로 DOTAP, 추가 중성 지질로 DOPE 및 단쇄 지질로 DHPC를 사용하였는데, 이 경우의 Q 비율은 DOTAP 및 DOPE의 총합/DHPC의 몰비율이 된다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는, Q 비율에 따른 리포플렉스의 구조적인 특징을 확인하였다. 그 결과, Q 비율이 무한대(즉, 장쇄 양이온성 지질만 존재하는 경우, LC)에는 가장 많은 멀티라멜라를 포함하고 있으나, Q 비율이 2인(L-2.0)으로 갈수록(즉, 단쇄 지질이 상대적으로 더 많이 포함될수록) 멀티라멜라의 비중이 감소하게 됨을 확인하였다. 멀티라멜라 구조가 더 많이 포함되는 경우 RNA를 더 많이 적재할 수 있으나, 지나치게 많은 약물이 적재되는 경우 리포플렉스의 구조가 안정하지 못하다는 단점을 가질 수 있다.The term “Q ratio” refers to the molar ratio of long-chain lipids to short-chain lipids in isotropic bicelles, and in the present invention, represents the molar ratio of the sum of long-chain cationic lipids (the sum of long-chain cationic lipids and additional lipids when additional lipids are further included) to the sum of all short-chain lipids in a lipoplex. In one embodiment of the present invention, DOTAP was used as the long-chain cationic lipid, DOPE was used as the additional neutral lipid, and DHPC was used as the short-chain lipid for the production of lipoplexes, and in this case, the Q ratio is the molar ratio of the sum of DOTAP and DOPE/DHPC. In a specific embodiment of the present invention, the structural characteristics of the lipoplex according to the Q ratio were confirmed. As a result, it was confirmed that when the Q ratio is infinite (i.e., only long-chain cationic lipids are present, LC), it contains the most multilamellar structures, but as the Q ratio approaches 2 (L-2.0) (i.e., as short-chain lipids are included relatively more), the proportion of multilamellar structures decreases. When more multilamellar structures are included, more RNA can be loaded, but if too much drug is loaded, it may have the disadvantage of making the lipoplex structure unstable.
따라서, 본 발명에서 리포플렉스가 이러한 Q 비율을 유지하도록 하는 경우, 리포플렉스의 약물전달효율과 안전성을 개선할 수 있고, 멀티 라멜라구조에 영향을 미친다. Therefore, in the present invention, when the lipoplex maintains this Q ratio, the drug delivery efficiency and safety of the lipoplex can be improved, and the multilamellar structure is affected.
본 발명의 제조방법에 따르면, 전단응력 사용 및/또는 높은 염 농도를 가지는 보조 계면활성제의 사용없이도 제조되는 양이온성 리포좀이 동심원 다중 라멜라 구조를 가지게 할 수 있다. 뿐만 아니라, 리포플렉스의 제조시 특정 Q 비율을 가지도록 함으로 인해, 리포플렉스가 종래의 리포플렉스 대비 효율적으로 많은 양의 mRNA 등과 같은 약물을 담지할 수 있도록 하면서도, 리포플렉스가 구조적으로 안정성을 가질 수 있게 한다. 또한 N/P 비율을 조절함으로 인해, 리포플렉스가 표적된 위치에 mRNA 등과 같은 약물을 원하는 장기를 표적하여 효과적으로 송달시킬 수 있다는 효과를 갖는다. According to the manufacturing method of the present invention, cationic liposomes can be manufactured to have a concentric multilamellar structure without using shear stress and/or using an auxiliary surfactant having a high salt concentration. In addition, by having a specific Q ratio during the manufacture of the lipoplex, the lipoplex can efficiently carry a large amount of drugs such as mRNA, etc., compared to conventional lipoplexes, while maintaining structural stability. In addition, by controlling the N/P ratio, the lipoplex has the effect of effectively delivering drugs such as mRNA to a desired organ by targeting the targeted location.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 본 발명에 따라 제조된 리포플렉스들은 4°C에서 보관했을 때 뚜렷하게 종래 리포플렉스들에 대비하여 구조적인 차이를 나타내며 1주일 동안 일관된 콜로이드 안정성을 보이며 낮은 세포 독성 및 효과적인 in vitro 형질감염을 나타낸다는 것을 확인하였다. In one embodiment of the present invention, it was confirmed that lipoplexes prepared according to the present invention exhibited distinct structural differences compared to conventional lipoplexes when stored at 4°C, exhibited consistent colloidal stability for one week, and exhibited low cytotoxicity and effective in vitro transfection.
이하 실시예를 통해 본 발명을 설명한다. 다만 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예를 예시하기 위해 소개하는 내용일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 제한되어서는 안 될 것이다.The present invention will be described below through examples. However, the examples are merely introduced to illustrate preferred embodiments of the present invention, and the scope of the present invention should not be limited thereto.
실시예 Example
지질 기반 어셈블리를 이용한 mRNA 전달 시스템의 개발은 유전자 발현의 정밀한 조절과 표적 치료적 중재를 위한 막대한 잠재력을 가지고 있다. 지질 기반 유전자 전달 시스템에서 놀라운 발전에도 불구하고, 지질 어셈블리의 생물물리적 특성과 mRNA 복합체가 이러한 시스템에 미치는 영향을 이해하는 데 있어 중요한 지식 격차가 남아있다. 본 발명에서는 양이온성 리포좀의 생물물리적 특성과 다양한 제조 방법을 비교함으로써 mRNA-리포플렉스 형성에 미치는 영향을 조사하였다. 주목할 만하게도, 정밀하게 제어된 동결-해동-볼텍싱 과정을 포함하는 Liposome under Cryo-Assembly (LUCA) 사이클이라는 새로운 제조 기술은 기존의 압출법으로 단일 라멜라 리포좀을 생성하는 것과는 대조적으로, 양이온성 DOTAP/DOPE 리포좀에서 독특한 양파와 같은 동심 다중 라멜라 구조를 생성한다. 단쇄 DHPC 지질의 포함은 양이온성 리포좀의 구조를 추가로 변형시켜 LUCA 사이클 동안 다중 라멜라 구조에서 단일 라멜라 구조로 전환시킨다. 또한, mRNA-리포플렉스의 생물물리적 및 생물학적 평가는 초기 양이온성 리포좀의 구조에 따라 리포플렉스에서 최적의 N/P 전하비가 달라질 수 있음을 밝혀냈다. Cryo-EM 구조 분석은 다중 라멜라 양이온성 리포좀이 양이온성 리포플렉스에서 두 가지 뚜렷한 라멜라 간격을 유도함을 보여주며, 리포좀 구조가 mRNA-리포플렉스의 최종 구조에 미치는 상당한 영향을 강조한다. 종합하면, 본 발명은 지질 어셈블리 구조와 생성된 리포플렉스의 생물물리적 특성 사이의 흥미로운 관계를 제공한다. 이러한 관계는 보다 간소화된 제조 공정을 통해 지질 기반 mRNA 전달 시스템을 발전시키는 길을 열어줄 수 있다.The development of mRNA delivery systems using lipid-based assemblies holds enormous potential for precise control of gene expression and targeted therapeutic intervention. Despite remarkable advances in lipid-based gene delivery systems, there remains a significant knowledge gap in understanding the biophysical properties of lipid assemblies and the impact of mRNA complexes on these systems. In this study, we investigated the biophysical properties of cationic liposomes and their impact on mRNA-lipoplex formation by comparing different manufacturing methods. Notably, a novel manufacturing technique called Liposome under Cryo-Assembly (LUCA) cycle involving a precisely controlled freeze-thaw-vortexing process produces a unique onion-like concentric multilamellar structure in cationic DOTAP/DOPE liposomes, in contrast to the unilamellar liposomes produced by conventional extrusion methods. Inclusion of short-chain DHPC lipids further modifies the structure of cationic liposomes, converting them from multilamellar to unilamellar structures during the LUCA cycle. Furthermore, biophysical and biological evaluations of mRNA-lipoplexes revealed that the optimal N/P charge ratio in lipoplexes can vary depending on the structure of the initial cationic liposomes. Cryo-EM structural analysis demonstrates that multilamellar cationic liposomes induce two distinct lamellar spacings in the cationic lipoplexes, highlighting the significant influence of liposome structure on the final structure of mRNA-lipoplexes. Taken together, the present invention provides an interesting relationship between the structure of lipid assemblies and the biophysical properties of the resulting lipoplexes. This relationship may open the way to developing lipid-based mRNA delivery systems through more streamlined manufacturing processes.
물질 및 방법Materials and Methods
시약(Reagents) Reagents
1,2-dioleoyl-3-trimethylammonium-propane (염화염) (DOTAP), 1,2-di-(9Z-octadecenoyl)-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE), 및 1,2-dihexanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DHPC) 지질은 클로로포름에 용해된 상태로 Avanti Polar Lipids (Alabaster, AL)로부터 구입하였다. CleanCap Firefly Luciferase mRNA (5 moU)는 TriLink BioTechnologies (San Diego, CA)로부터 구입하였다.1,2-dioleoyl-3-trimethylammonium-propane (chloride) (DOTAP), 1,2-di-(9Z-octadecenoyl)-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE), and 1,2-dihexanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DHPC) lipids were purchased in chloroform from Avanti Polar Lipids (Alabaster, AL). CleanCap Firefly Luciferase mRNA (5 moU) was purchased from TriLink BioTechnologies (San Diego, CA).
MiceMice
BALB/c 마우스는 InVivos로부터 구입하였다. 마우스는 병원체가 없는 환경에서 수용 및 관리되었으며, 싱가포르 A*STAR의 생물자원센터 (BRC)에서 수립한 기관 프로토콜을 엄격히 준수하였다. 동물을 포함하는 모든 절차는 기관 동물 관리 및 사용 위원회 (IACUC# 191452)의 승인을 받았다.BALB/c mice were purchased from InVivos. Mice were housed and maintained in a pathogen-free environment, strictly following institutional protocols established by the Biological Resource Centre (BRC), A*STAR, Singapore. All procedures involving animals were approved by the Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC# 191452).
리포좀 제조(Liposome Preparation) Liposome Preparation
양전하를 띠는 리포좀은 박막 수화법(thin-film hydration)에 이어 압출법 또는 LUCA 사이클을 통해 제작되었다. 먼저, 클로로포름에 용해된 적절한 양의 장쇄 양이온성 DOTAP, 중성 DOPE 및 단쇄 DHPC 지질을 유리 바이알에 첨가하고, 질소 가스 흐름 하에서 부드럽게 건조한 후 진공 데시케이터에서 하룻밤 동안 배양하여 용매를 증발시켰다. 다음으로, 건조된 지질막을 Milli-Q 처리된 물 (MilliporeSigma, Burlington, MA) 또는 UltraPure DNase/RNase-free 증류수 (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA)로 수화시키고, 볼텍싱 하였다. E50 및 E400 리포좀을 제조하기 위해, 생성된 현탁액을 각각 50 nm 또는 400 nm 직경의 트랙-에칭 폴리카보네이트 필터 막을 사용하여 압출하였다. LC, L4.0 및 L2.0 리포좀을 제조하기 위해, 수화된 현탁액을 다음 단계를 포함하는 5회의 LUCA 사이클에 적용하였다: (1) 액체 질소에 1분 동안 침지, (2) 60 °C 수욕에서 5분 동안 해동, (3) 30초 동안 볼텍싱. DOTAP 및 DOPE 농도는 별도로 명시되지 않는 한 10 mM로 고정하였다. Positively charged liposomes were prepared by thin-film hydration followed by extrusion or LUCA cycle. First, appropriate amounts of long-chain cationic DOTAP, neutral DOPE, and short-chain DHPC lipids dissolved in chloroform were added to a glass vial, gently dried under a stream of nitrogen gas, and incubated in a vacuum desiccator overnight to evaporate the solvent. Next, the dried lipid film was rehydrated with Milli-Q treated water (MilliporeSigma, Burlington, MA) or UltraPure DNase/RNase-free distilled water (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA) and vortexed. To prepare E50 and E400 liposomes, the resulting suspensions were extruded using track-etched polycarbonate filter membranes with 50 or 400 nm diameters, respectively. To prepare LC, L4.0, and L2.0 liposomes, the hydrated suspensions were subjected to five LUCA cycles including the following steps: (1) immersion in liquid nitrogen for 1 min, (2) thawing in a 60 °C water bath for 5 min, and (3) vortexing for 30 s. The concentrations of DOTAP and DOPE were fixed at 10 mM unless otherwise specified.
리포플렉스 제조(Lipoplex Preparation) Lipoplex Preparation
기존 연구에서 기술된 프로토콜을 약간 수정하여 리포플렉스를 제작하였다(Kranz, L. M. et al., Systemic RNA delivery to dendritic cells exploits antiviral defence for cancer immunotherapy. Nature 2016, 534 (7607), 396-401 및 Barichello, J. M. et al., Complexation of siRNA and pDNA with cationic liposomes: the important aspects in lipoplex preparation. Liposomes: Methods and Protocols, Volume 1: Pharmaceutical Nanocarriers 2010, 461-472). A diversity of formulations complexed with the reporter firefly luciferase (Luc)-encoding mRNA was assembled with cationic liposomes to create various N/P ratio, which defined the charge ratio and overall lipoplexes net charge. 반딧불이 루시퍼레이즈(Luc)를 발현하는 mRNA와 다양한 조합으로 양이온성 리포좀을 결합하여 다양한 N/P 비율을 갖는 리포플렉스를 제작하였다. 이 N/P 비율은 리포플렉스의 전하 비율과 전체적인 전하를 결정한다. 전하비는 mRNA 뉴클레오티드에 의해 나타나는 양전하를 띤 아민(N = 질소) 그룹과 음전하를 띤 인산염(P) 그룹의 몰비로부터 계산되었다. 양이온성 지질과 mRNA 사이의 몰비를 계산하기 위해서는 뉴클레오티드 당 평균 몰 질량 330 Da를 가정하였다. mRNA는 1 mg/ml의 mRNA 농도로 시트르산나트륨 완충액에 용해되어 제공되었다. 리포플렉스는 mRNA를 초순수 DNase/RNase-free 증류수로 희석한 후, 선택된 전하비에 도달하도록 적절한 양의 양이온성 리포좀 분산액을 첨가하여 제조하였다. Lipoplexes were prepared by slightly modifying the protocol described in a previous study (Kranz, LM et al., Systemic RNA delivery to dendritic cells exploits antiviral defense for cancer immunotherapy. Nature 2016, 534 (7607), 396-401 and Barichello, JM et al., Complexation of siRNA and pDNA with cationic liposomes: the important aspects in lipoplex preparation. Liposomes: Methods and Protocols, Volume 1: Pharmaceutical Nanocarriers 2010 , 461-472). A diversity of formulations complexed with the reporter firefly luciferase (Luc)-encoding mRNA was assembled with cationic liposomes to create various N/P ratios, which defined the charge ratio and overall lipoplexes net charge. Lipoplexes with various N/P ratios were prepared by combining mRNA expressing firefly luciferase (Luc) with various combinations of cationic liposomes. This N/P ratio determines the charge ratio and overall charge of the lipoplex. The charge ratio was calculated from the molar ratio of the positively charged amine (N = nitrogen) groups to the negatively charged phosphate (P) groups presented by the mRNA nucleotides. An average molar mass of 330 Da per nucleotide was assumed to calculate the molar ratio between the cationic lipid and mRNA. The mRNA was provided dissolved in sodium citrate buffer at a mRNA concentration of 1 mg/mL. Lipoplexes were prepared by diluting the mRNA with ultrapure DNase/RNase-free distilled water and adding an appropriate amount of cationic liposome dispersion to achieve the selected charge ratio.
Dynamic Light Scattering (DLS) 및 Zeta Potential Measurements Dynamic Light Scattering (DLS) and Zeta Potential Measurements
크기 분포 및 제타 전위는 90Plus 입자 크기/제타 PALS 분석기(Brookhaven Instruments Corporation, NY)를 사용하여 조사하였다. 크기 분포 분석을 위해서는 반사 효과를 최소화하기 위해 90°의 산란각에서 동적광산란법에 기초한 측정을 수행하였다. 얻어진 모든 자기상관 함수는 누적법으로 분석되었으며, 크기 분포를 얻기 위해 다중 모드 분포로 피팅되었다.Size distribution and zeta potential were investigated using a 90Plus particle size/zeta PALS analyzer (Brookhaven Instruments Corporation, NY). For size distribution analysis, measurements based on dynamic light scattering were performed at a scattering angle of 90° to minimize reflection effects. All obtained autocorrelation functions were analyzed by the cumulative method and fitted with a multimodal distribution to obtain size distributions.
Cryogenic Electron Microscopy (Cryo-EM)Cryogenic Electron Microscopy (Cryo-EM)
레이시 카본 코팅된 300 메쉬 구리 그리드(Electron Microscopy Sciences, Hatfield, PA)를 글로우 방전 처리하여 cryo-EM 이미징을 위한 시료를 준비하였다. 100% 습도에서 그리드 위에 4 μL의 시료 용액을 적용하고, 여과지로 블로팅(2초 블로팅 시간, 0 블로팅 힘)한 후, 액체 에탄(Vitrobot, FEI Company)에 담갔다. Cryo-grids는 직접 전자 검출기(Falcon II, FEI Company)가 장착된 FEG 200 keV 투과 전자 현미경(Arctica, FEI Company)을 사용하여 이미징하였다. 이미지는 53,000배의 공칭 배율과 1초의 적분 시간(노출 시간)으로 기록되었다. cryo-EM 이미지의 빠른 푸리에 변환(FFT)은 ImageJ 소프트웨어를 사용하여 얻었다.Samples for cryo-EM imaging were prepared by glow-discharge treatment of lacey carbon-coated 300-mesh copper grids (Electron Microscopy Sciences, Hatfield, PA). 4 μL of sample solution was applied onto the grids at 100% humidity, blotted with filter paper (2 s blotting time, 0 blotting force), and immersed in liquid ethane (Vitrobot, FEI Company). Cryogrids were imaged using a FEG 200 keV transmission electron microscope (Arctica, FEI Company) equipped with a direct electron detector (Falcon II, FEI Company). Images were recorded at a nominal magnification of ×53,000 and an integration time (exposure time) of 1 s. Fast Fourier transforms (FFTs) of cryo-EM images were obtained using ImageJ software.
In vitroIn vitro Luciferase Transfection Assay Luciferase Transfection Assay
HEK293T 세포주(ATCC, Manassas, VA)는 10% 열비활성화 태아 소 혈청(Gibco)과 1% 페니실린/스트렙토마이신(Hyclone)으로 보충된 Dulbecco's modified Eagle's medium (Gibco)에서 배양되었다. 모든 배양은 5% CO2를 포함하는 37°C 인큐베이터에서 성장시켰으며, 공급업체의 지침에 따라 유지되었다. 분석을 위해, 세포를 웰당 5,000개의 밀도로 96-웰 플레이트에 접종하고 하룻밤 동안 부착되도록 하였다. 그런 다음, mRNA-리포플렉스를 세포가 배양 중인 세포 배양 배지에 웰당 100 ng 및 200 ng의 mRNA로 첨가하였다. 루시퍼레이즈 발현 데이터는 처리 후 24시간 후에 마이크로플레이트 리더를 사용하여 PierceTM Firefly Luciferase Glow Assay Kit (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA)로 수집하였으며, 공급업체의 지침에 따라 100 ng의 E400-3의 발현 수준으로 정규화하였다.HEK293T cells (ATCC, Manassas, VA) were cultured in Dulbecco's modified Eagle's medium (Gibco) supplemented with 10% heat-inactivated fetal bovine serum (Gibco) and 1% penicillin/streptomycin (Hyclone). All cultures were grown at 37°C in a 5% CO 2 incubator and maintained according to the supplier's instructions. For assays, cells were seeded at a density of 5,000 per well in 96-well plates and allowed to attach overnight. mRNA-lipoplexes were then added to the cell culture medium in which the cells were cultured at 100 ng and 200 ng of mRNA per well. Luciferase expression data were collected 24 hours after treatment using a PierceTM Firefly Luciferase Glow Assay Kit (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA) using a microplate reader and normalized to the expression level of 100 ng of E400-3 according to the supplier's instructions.
In vivoIn vivo Bioluminescence ImagingBioluminescence Imaging
5-8 주령의 수컷 BALB/c 마우스에 측면 꼬리 정맥을 통해 리포플렉스와 복합화된 10 μg의 FLuc mRNA를 정맥 내(i.v.) 주사하였다. 리포플렉스 투여 6시간 후, 마우스에 PBS에 용해된 150 mg/kg의 D-루시페린(Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA)을 복강 내 주사하고, 이후 루시페린의 완전한 전신 순환을 위해 10분간 대기한 후 생체 내 발광 이미징을 수행하였다. 24시간 후, 마우스에 PBS 중 150 mg/kg의 D-루시페린을 재주사하고 10분간 대기한 후, 간, 폐 및 비장을 적출하여 발광 이미징을 수행하였다. 생체 발광 이미지 획득은 IVIS® Spectrum In Vivo Imaging System (PerkinElmer, Shelton, CT)을 사용하여 수행되었다. 모든 이미지 후처리 및 분석은 Living Image® 4.8.0 소프트웨어(PerkinElmer, Shelton, CT)를 사용하여 수행되었다. 생체 발광 강도는 간, 폐 및 비장 주위에 각각의 관심 영역(ROI)을 그려 각 ROI 내의 발광도를 측정하여 정량화하였다. Five to eight weeks old male BALB/c mice were injected intravenously (i.v.) with 10 μg of FLuc mRNA complexed with lipoplexes via the lateral tail vein. Six hours after lipoplex administration, mice were injected intraperitoneally with 150 mg/kg D-luciferin (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA) dissolved in phosphate-buffered saline (PBS), and were allowed to sit for 10 minutes to allow complete systemic circulation of luciferin before performing in vivo luminescence imaging. Twenty-four hours later, mice were reinjected with 150 mg/kg D-luciferin in PBS, allowed to sit for 10 minutes, and then liver, lungs, and spleen were removed for luminescence imaging. Bioluminescence image acquisition was performed using an IVIS® Spectrum In Vivo Imaging System (PerkinElmer, Shelton, CT). All image postprocessing and analysis were performed using Living Image® 4.8.0 software (PerkinElmer, Shelton, CT). Bioluminescence intensity was quantified by drawing regions of interest (ROIs) around the liver, lungs, and spleen and measuring the luminescence within each ROI.
결과 및 논의Results and Discussion
실험 디자인Experimental design
도 1a에 묘사된 바와 같이 두 가지 서로 다른 제조 방법을 사용하여 양이온성 리포좀과 리포플렉스의 검사를 시작하였으며, 이들의 생물물리적 특성을 밝히는 데 중점을 두었다. 처음에 단분산 크기 분포를 갖는 단일 라멜라 리포좀을 생성하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 방법 중 하나인 압출법을 선택하였다. 시간이 많이 소요되는 다단계 공정에도 불구하고, 이 기술은 탁월한 재현성, 균질한 크기 분포 및 유기 용매 또는 계면활성제의 제거 단계를 우회할 수 있는 능력으로 인해 여전히 널리 사용되고 있다. 또한 본 발명에 따른 제조방법은 동결-해동 방법을 기반으로 Liposome under Cryo-Assembly (LUCA) 사이클이라는 새로운 제조 기술을 도입하였다. 이러한 사이클의 반복을 통해 얼음 결정의 형성은 내부 액상을 확장시키고 리포좀의 라멜라 구조를 파괴하여 더 작고 균질한 지질 자기 조립체 집단으로 이어진다. As depicted in Figure 1a, we started by testing cationic liposomes and lipoplexes using two different fabrication methods, with a focus on elucidating their biophysical properties. Initially, we chose extrusion, one of the most commonly used methods for producing unilamellar liposomes with a monodisperse size distribution. Despite the time-consuming multi-step process, this technique is still widely used due to its excellent reproducibility, homogeneous size distribution, and ability to bypass the removal step of organic solvents or surfactants. Furthermore, the fabrication method according to the present invention introduces a novel fabrication technique called Liposome under Cryo-Assembly (LUCA) cycle, which is based on a freeze-thaw process. Through repetition of this cycle, the formation of ice crystals expands the inner liquid phase and disrupts the lamellar structure of the liposomes, resulting in smaller and more homogeneous lipid self-assembly populations.
생물물리적 특성 분석을 위해, 동적 광산란(DLS) 및 제타 전위 측정을 각각 이용하여 지질 어셈블리의 크기 분포와 표면 전하를 분석하였다. 이러한 매개변수는 양이온성 리포좀과 mRNA의 자기 조립 역학을 이해하는 데 중요하며, 생성된 리포플렉스의 크기와 표면 전하는 초기 양이온성 리포좀의 고유한 특성과 양이온성 지질과 mRNA 사이의 전하비의 영향을 받는다. 또한, 저온 전자 현미경(Cryo-EM)을 사용하여 라멜라성 및 형태를 포함한 구조적 특성을 조사하였으며, 자기 조립된 구조는 매개변수 변화에 따라 상당한 변이를 나타낼 수 있다. 생물학적 평가를 위해, 리포플렉스 내 루시퍼레이즈-코딩 mRNA의 in vitro 형질감염 효율 및 in vivo 생체분포를 측정하여 리포좀과 리포플렉스의 생물물리적 특성이 mRNA-리포플렉스의 기능에 어떻게 영향을 미치는지 밝혔다.For biophysical characterization, the size distribution and surface charge of the lipid assemblies were analyzed using dynamic light scattering (DLS) and zeta potential measurements, respectively. These parameters are important for understanding the self-assembly dynamics of cationic liposomes and mRNA, and the size and surface charge of the formed lipoplexes are affected by the intrinsic properties of the initial cationic liposomes and the charge ratio between the cationic lipids and mRNA. In addition, the structural characteristics, including lamellae and morphology, were investigated using cryo-electron microscopy (cryo-EM), and the self-assembled structures can show considerable variations depending on the changes in parameters. For biological evaluation, the in vitro transfection efficiency and in vivo biodistribution of luciferase-encoding mRNA within the lipoplexes were measured to elucidate how the biophysical properties of liposomes and lipoplexes affect the function of mRNA-lipoplexes.
양이온성 리포좀을 제조하기 위해, DOTAP 및 DOPE 지질을 핵산 전달에서의 입증된 성공을 기반으로 기초적인 지질 조성으로 선택하였다(도 1b). DOTAP/DOPE 시스템은 수십 년 동안 연구되어 왔으며, 핵산 전달을 위한 잠재적인 메커니즘을 제시하는데, 여기서 막 융합은 역상 육각상 및 이 복합체 내 불포화 부분의 굽힘 계수 감소에 의해 촉진된다. 그럼에도 불구하고, 이러한 특성과 생물학적 효능 사이의 직접적인 상관관계를 확립하는 것은 여전히 어려우며, 리포플렉스 시스템에서의 추가적인 탐구의 필요성을 강조한다. 또한, 양이온성 리포좀의 크기와 구조를 조절하기 위해 단쇄 DHPC 지질을 첨가하였다. 장쇄 포화 지질을 포함하는 디스크 모양의 이중층 혼합물에서 일반적으로 사용되는 DHPC는 리포좀의 구형 어셈블리를 방해하고 가장자리 상호작용을 통해 이중층 디스크를 안정화한다. 그러나, DOPC와 같은 장쇄 불포화 지질과 결합하면, DHPC는 높은 곡률에 대한 선호도로 인해 지질 이중층을 불안정하게 만들어, 소포화 및 더 작은 응집체의 형성을 포함한 구조적 변형으로 이어진다. 따라서, DHPC는 리포좀의 크기 분포와 구조를 조절하기 위한 도구로 사용될 수 있다. To prepare cationic liposomes, DOTAP and DOPE lipids were chosen as the basic lipid composition based on their proven success in nucleic acid delivery ( Figure 1b ). The DOTAP/DOPE system has been studied for decades and presents a potential mechanism for nucleic acid delivery, where membrane fusion is facilitated by the reversed hexagonal phase and the reduced bending modulus of the unsaturated portion within this complex. Nevertheless, establishing a direct correlation between these properties and biological efficacy remains difficult, highlighting the need for further exploration in lipoplex systems. In addition, short-chain DHPC lipids were added to control the size and structure of the cationic liposomes. DHPC, which is commonly used in disc-shaped bilayer mixtures containing long-chain saturated lipids, disrupts the spherical assembly of liposomes and stabilizes the bilayer discs through edge interactions. However, when combined with long-chain unsaturated lipids such as DOPC, DHPC destabilizes the lipid bilayer due to its high curvature preference, leading to structural deformations including vesiculation and formation of smaller aggregates. Therefore, DHPC can be used as a tool to control the size distribution and structure of liposomes.
따라서, 6가지 종류의 서로 다른 양이온성 리포좀이 N/P 전하비를 달리하여 리포플렉스 합성에 사용되었다(도 1c). VOR로 표기된 볼텍싱 된 리포좀은 넓은 크기 분포와 무작위 구조를 갖는 큰 리포좀을 나타낸다. 종래 기술인 압출법에 따라 제조된 E50 및 E400은 각각 50 nm 및 400 nm로 압출된 리포좀을 나타낸다. E50은 작고 균일한 크기 분포를 갖는 단일 라멜라 형태를 나타내도록 설계되었으며, E400은 압출에 의해 조절되지만 더 큰 크기 분포를 가질 것으로 예상되었다. 마찬가지로, 본 발명에 따른 제조방법(LUCA 사이클)을 적용하여 양이온성 리포좀을 제조하였으며, 이를 LC로 명명하였다. LC의 크기와 구조를 더욱 조절하기 위해, 단쇄 DHPC 지질을 이어서 LC 제형에 첨가하였다. 이중층 상을 형성하는 데 있어 q-비율의 중요한 역할을 고려하여, DHPC가 포함된 리포좀은 각각 4.0 및 2.0의 q-비율로 제조되었으며, L4.0 및 L2.0으로 표기하였다.Thus, six different types of cationic liposomes were used for lipoplex synthesis with different N/P charge ratios ( Figure 1c ). The vortexed liposomes, denoted as VOR, represent large liposomes with broad size distribution and random structure. E50 and E400, prepared by conventional extrusion method, represent liposomes extruded to 50 nm and 400 nm, respectively. E50 was designed to exhibit a unilamellar morphology with small and uniform size distribution, whereas E400 was expected to have a larger size distribution that is controlled by extrusion. Similarly, cationic liposomes were prepared by applying the preparation method according to the present invention (LUCA cycle) and were designated as LC. To further control the size and structure of LC, short-chain DHPC lipids were subsequently added to the LC formulation. Considering the important role of q-ratio in forming bilayer phase, liposomes containing DHPC were prepared with q-ratios of 4.0 and 2.0, respectively, and were denoted as L4.0 and L2.0.
양이온성 리포좀의 생물물리적 특성.Biophysical properties of cationic liposomes.
크기 분포. 리포좀의 크기 분포는 먼저 DLS 기술로 분석되었다. 박막 형성 후 수화되면서, VOR은 약 180 nm 및 760 nm의 두 개의 뚜렷한 다중 모드 피크를 갖는 넓은 크기 분포를 나타냈다(도 2a). 다수의 샘플에서 측정된 VOR의 평균 직경은 393.9 ± 28.9 nm이며, 0.34의 다분산 지수(PDI)와 일치하여, 이들의 덜 재현 가능하고 이질적인 특성을 반영하였다(도 2b, 표 1). 이러한 결과는 수성 매질에서 건조된 인지질의 수화가 넓은 크기 분포를 갖는 이질적인 이중 및/또는 다중 라멜라 리포좀의 비조절 자기 조립을 초래한다는 예상과 일치한다. Size distribution . The size distribution of the liposomes was first analyzed by DLS technique. After film formation and hydration, the VORs exhibited a broad size distribution with two distinct multimodal peaks at around 180 nm and 760 nm ( Figure 2a ). The average diameter of the VORs measured from multiple samples was 393.9 ± 28.9 nm, consistent with the polydispersity index (PDI) of 0.34, reflecting their less reproducible and heterogeneous nature ( Figure 2b , Table 1 ). These results are consistent with the expectation that hydration of dried phospholipids in aqueous media leads to uncontrolled self-assembly of heterogeneous bi- and/or multilamellar liposomes with a broad size distribution.
[표 1][Table 1]
본 실험예에서 사용된 양이온성 리포좀의 평균 직경, PDI 및 제타 전위 값 (n = 6, 평균 ± S.D.).Average diameter, PDI, and zeta potential values of cationic liposomes used in this experiment (n = 6, mean ± S.D.).
50 nm 필터를 통한 후속 압출은 73.7 ± 8.3 nm의 평균 직경과 0.13의 PDI를 갖는 매우 좁은 크기 분포로 특징지어지는 E50의 형성으로 이어졌다. 주목할 만하게, E50은 다중 모드 분석에서 단일 좁은 피크를 나타내어, 균일성이 나타났다. 반면에, E400은 E50에 비해 상대적으로 넓은 크기 분포와 이중 다중 모드 피크를 보였는데, 이는 더 큰 기공 크기로 인해 어느 정도의 이질성이 발생한 것으로 추정된다. 그럼에도 불구하고, E400은 VOR에 비해 더 작고 균일한 크기 분포를 나타내어, 일관된 특성을 갖는 리포좀을 생성하는 데 있어 압출 기술의 잠재적 이점을 암시하였다.Subsequent extrusion through a 50 nm filter resulted in the formation of E50, which was characterized by a very narrow size distribution with a mean diameter of 73.7 ± 8.3 nm and a PDI of 0.13. Notably, E50 exhibited a single narrow peak in multimodal analysis, indicating its homogeneity. On the other hand, E400 exhibited a relatively broader size distribution and dual multimodal peaks compared to E50, which was presumably due to some degree of heterogeneity caused by its larger pore size. Nevertheless, E400 exhibited a smaller and more homogeneous size distribution compared to VOR, suggesting the potential advantage of the extrusion technique in producing liposomes with consistent properties.
본 발명에 따른 제조방법(LUCA 사이클)을 도입하여 제조한 LC의 평균 직경은 321.6 ± 20.6 nm였으며, 이는 VOR과 E400 사이의 크기에 해당하였고, 놀랍게도 0.20의 낮은 PDI를 나타냈다. 이는 본 발명에 따른 제조방법에 의해 리포좀을 제조하는 경우 이 동결-해동 메커니즘을 통해 효과적으로 리포좀의 크기와 크기 분포를 감소시켰음을 의미하며, 동결 과정에서 얼음 결정에 의한 지질 파편화 및 후속적인 지질막 파열로 인해 발생할 수 있다. 흥미롭게도, 단쇄 DHPC 지질의 첨가는 L4.0에서 PDI가 0.20에서 0.22로 증가함에 따라 리포좀 크기의 약간의 감소와 함께 크기 분포의 확장을 초래하였다. 이러한 효과는 L2.0에서 DHPC 농도가 두 배로 증가함에 따라 더욱 두드러졌다. 이러한 관찰된 크기 감소와 분포 증가는 장쇄 지질과 단쇄 지질 사이의 사슬 길이 차이에 의해 유도된 지질막의 불안정화 및 무질서화로 인해 예상되는 결과이다. The average diameter of LCs manufactured by introducing the manufacturing method (LUCA cycle) according to the present invention was 321.6 ± 20.6 nm, which corresponds to a size between VOR and E400, and surprisingly exhibited a low PDI of 0.20. This means that when liposomes are manufactured by the manufacturing method according to the present invention, the freeze-thaw mechanism effectively reduces the size and size distribution of liposomes, which may occur due to lipid fragmentation and subsequent lipid membrane rupture by ice crystals during the freezing process. Interestingly, the addition of short-chain DHPC lipids resulted in a broadening of the size distribution along with a slight decrease in liposome size as the PDI increased from 0.20 to 0.22 in L4.0. This effect was more pronounced as the DHPC concentration was doubled in L2.0. This observed size decrease and distribution increase are expected results due to the destabilization and disordering of the lipid membrane induced by the difference in chain length between long-chain and short-chain lipids.
형태. 다음으로, cryo-EM을 통해 양이온성 리포좀의 형태를 특성화하였다(도 2c). VOR은 이질적인 크기와 형태를 나타냈으며, 일부 리포좀은 더 큰 리포좀 내에 캡슐화된 길쭉한 소포 형태를 보였다. 정량적 분석 결과, VOR은 단일 라멜라 구조와 다중 소포 구조로 주로 구성되었으며, 두 유형 모두 개체군의 44%를 차지하였다(도 2d). 이러한 이질성은 DLS 분석 결과와 밀접하게 일치하였다. 반면에, 압출된 리포좀은 VOR과 비교하여 뚜렷한 라멜라성 경향을 보였다. E50은 전적으로 단일 라멜라 구조로 구성되어, 연장된 압출이 다중 라멜라 구조의 파열과 작고 균일한 단일 라멜라 리포좀의 생성을 초래함을 보여주었다. 대조적으로, E400은 주로 단일 라멜라 구조를 나타냈으며, 19%의 이중 라멜라 구조를 동반하였다. Morphology. Next, the morphology of the cationic liposomes was characterized by cryo-EM ( Figure 2c ). VORs showed heterogeneous sizes and shapes, with some liposomes exhibiting elongated vesicle morphologies encapsulated within larger liposomes. Quantitative analysis revealed that VORs were mainly composed of unilamellar and multivesicular structures, with both types accounting for 44% of the population ( Figure 2d ) . This heterogeneity was closely consistent with the results of DLS analysis. In contrast, extruded liposomes showed a distinct lamellar tendency compared to VORs. E50 was composed entirely of unilamellar structures, indicating that extended extrusion led to the rupture of the multilamellar structures and the generation of small, uniform unilamellar liposomes. In contrast, E400 was mainly unilamellar, with 19% bilamellar structures.
주목할 만하게, 본 발명에 따른 LC는 예상과는 달리 "양파와 같은" 동심 다중 라멜라 형태를 뚜렷하게 나타냈는데, 일반적으로 동결-해동 방법은 라멜라성을 감소시켜 단일 라멜라 구조를 생성한다. 약 65%의 LC가 다중 라멜라 구조를 나타내어, LUCA 사이클이 크기 분포의 상대적인 균질성을 유도하는 경향이 있지만, DOTAP/DOPE 양이온성 리포좀에서 단일 라멜라 구조보다 다중 라멜라 구조의 형성을 선호함을 시사한다. 이러한 밀집되고 높은 수준으로 정렬된 동심 다중 라멜라 구조는 이전에 리포좀에서 관찰되었지만, 일반적으로 전단 응력 및/또는 높은 염 농도를 갖는 보조 계면활성제의 존재를 필요로 하였다. 염이 없는 순수한 물에서 유사한 사슬 길이를 갖는 양이온성 및 중성 지질로만 구성된 시스템을 고려할 때, 이러한 특이한 어셈블리 과정 동안 강한 정전기적 하전 효과와 반복적인 상 전이에 의해 유도된 외부 힘 사이의 상호 작용이 역할을 했을 가능성이 있지만, 이 현상에 대한 포괄적인 이해를 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.Notably, the LCs according to the present invention exhibited a distinct “onion-like” concentric multilamellar morphology, contrary to expectations, as freeze-thaw methods typically reduce lamellarity to produce single-lamellar structures. Approximately 65% of the LCs exhibited multilamellar structures, suggesting that although the LUCA cycle tends to induce relative homogeneity in the size distribution, it favors the formation of multilamellar structures over single-lamellar structures in DOTAP/DOPE cationic liposomes. Such dense and highly ordered concentric multilamellar structures have been observed previously in liposomes, but generally required the presence of co-surfactants with shear stress and/or high salt concentrations. Considering the system consisting solely of cationic and neutral lipids with similar chain lengths in pure water without salt, it is likely that the interplay between strong electrostatic charge effects and external forces induced by repetitive phase transitions played a role during this unusual assembly process, but further studies are needed for a comprehensive understanding of this phenomenon.
단쇄 인지질인 DHPC를 포함시키자, 양파와 같은 다중 라멜라 구조의 감소가 관찰되었다. 이러한 감소는 DHPC 농도가 증가함에 따라, 특히 L4.0에서 L2.0으로 전환할 때 더욱 두드러졌다. 예를 들어, DOPE와 동일한 몰비로 DHPC를 첨가한 경우(L2.0), 다중 라멜라 리포좀의 비율이 65%에서 7%로 약 10배 감소한 반면, 단일 라멜라 리포좀은 DHPC가 없는 경우(LC)에 비해 30%에서 82%로 3배까지 증가하였다. DLS 결과와 일치하게, L4.0 및 L2.0은 더 이질적인 크기와 형태, 예를 들어 길쭉한 형태와 다중 소포 구조를 나타냈다. 이러한 리포좀 형태의 변화는 장쇄 지질과 단쇄 지질 간의 사슬 길이 차이에 의해 유도될 수 있는 막 불안정화로 인한 것으로 보인다. 이러한 관찰은 LUCA 사이클 동안 라멜라성 감소에 대한 설명을 제공할 수 있다. DOPE의 4배 비율로 DHPC를 첨가한 경우(L0.5), 단일 라멜라 및 다중 소포 리포좀과 함께 다수의 혼합 미셀이 나타났는데, 이는 단쇄 지질의 높은 농도로 인한 것이다(도 7). 이러한 결과를 바탕으로, LC와의 비교 분석을 위해 L4.0 및 L2.0을 선택하여 리포플렉스 형성을 더욱 이해하고 리포좀의 초기 구조가 이 과정에 미치는 영향을 조사하였다.When the short-chain phospholipid DHPC was included, a decrease in the onion-like multilamellar structure was observed. This decrease was more pronounced with increasing DHPC concentration, especially when switching from L4.0 to L2.0. For example, when DHPC was added at the same molar ratio as DOPE (L2.0), the percentage of multilamellar liposomes decreased approximately 10-fold from 65% to 7%, whereas unilamellar liposomes increased 3-fold from 30% to 82% compared to the case without DHPC (LC). Consistent with the DLS results, L4.0 and L2.0 showed more heterogeneous sizes and shapes, such as elongated shapes and multivesicular structures. This change in liposome morphology is likely due to membrane destabilization, which may be induced by the difference in chain length between long- and short-chain lipids. These observations may provide an explanation for the decrease in lamellarity during the LUCA cycle. When DHPC was added at a 4-fold ratio of DOPE (L0.5), numerous mixed micelles appeared along with unilamellar and multivesicular liposomes, which was due to the high concentration of short-chain lipids ( Figure 7 ). Based on these results, L4.0 and L2.0 were selected for comparative analysis with LC to further understand the lipoplex formation and investigate the influence of the initial structure of liposomes on this process.
mRNA-리포플렉스의 생물물리적 특성.Biophysical properties of mRNA-lipoplexes.
다음으로, 양이온성 지질과 mRNA 사이의 몰비를 변화시켜 안정적이고 효율적인 리포플렉스 형성을 달성하기 위해 체계적으로 리포플렉스를 제조하였다. 여기서 N/P 비율은 mRNA의 핵산(음으로 하전된 인산기, P)에 대한 DOTAP(양으로 하전된 아민기, N)의 몰비를 나타낸다. 양이온성 리포좀과 핵산의 복합화 과정에서 리포좀은 초기에는 핵산 분자에 결합하고, 리포플렉스의 제타 전위가 0에 근접할 때 응집이 시작된다(도 3A). 콜로이드적으로 불안정한 영역은 일반적으로 중성 표면 전하 부근에서 관찰되며, 이는 리포플렉스의 잠재적인 응집으로 이어질 수 있다. 음전하 또는 양전하가 과잉일 경우, 반발적인 정전기력에 의해 뚜렷한 입자 크기를 갖는 콜로이드적으로 안정한 리포플렉스를 제조할 수 있다. N/P 비율은 콜로이드 안정성, 입자 특성 및 표적 선택성에 중요한 매개변수로 작용하므로, 리포플렉스 제형을 최적화하기 위해 N/P 비율의 영향을 조사하는 것이 필수적이다.Next, lipoplexes were systematically prepared by varying the molar ratio between cationic lipids and mRNA to achieve stable and efficient lipoplex formation. Here, the N/P ratio represents the molar ratio of DOTAP (positively charged amine group, N) to nucleic acid (negatively charged phosphate group, P) of mRNA. During the complexation process of cationic liposomes and nucleic acids, liposomes initially bind to nucleic acid molecules, and aggregation begins when the zeta potential of the lipoplex approaches zero ( Figure 3A ). The colloidally unstable region is generally observed near the neutral surface charge, which can lead to potential aggregation of lipoplexes. When the negative or positive charge is excessive, colloidally stable lipoplexes with distinct particle sizes can be prepared due to repulsive electrostatic forces. Since the N/P ratio acts as an important parameter for colloidal stability, particle properties, and target selectivity, it is essential to investigate the effect of the N/P ratio to optimize lipoplex formulations.
일반적으로 높은 전하비(N/P > 6)에서는 주로 양으로 하전된 입자가 생성되었으며, 낮은 전하비(N/P < 1.0)에서는 음으로 하전된 리포플렉스가 생성되었다. 주목할 만하게, 대부분의 리포플렉스는 거의 중성인 표면 전하를 나타냈으며, 양이온성 지질과 핵산의 거의 동일한 몰비가 공존하는 N/P 비율 1.5에서 가장 큰 크기에 도달했다. 그러나 LC 기반 리포플렉스에서는 N/P 비율 3.0에서 가장 큰 크기에 도달하는 예외적인 경우가 관찰되었다(도 3B). LC 기반 리포플렉스에서 나타난 이 특이한 관찰 결과는 동결-해동 사이클로 인해 생성된 다중 라멜라 구조의 비율이 상당히 높음(~65%)으로 설명될 수 있다. 표면에 노출된 양이온성 지질의 양이 적을 때 전체 전하를 중성화하기 위해서는 더 높은 N/P 비율이 필요했다. 유사하게, VOR 및 L4.0의 경우 N/P 비율 3.0에서 비교적 큰 리포플렉스(~1,000 nm)가 형성되었다. 이러한 현상은 단일/이중 라멜라 구조의 비율이 상대적으로 낮기 때문으로 설명될 수 있다. 흥미롭게도, N/P 비율이 1.5인 E50 유래 리포플렉스(E50-1.5)는 E400 유래 리포플렉스(E400-1.5)에 비해 현저히 큰 응집체를 형성하였다. 이러한 결과는 약 70 nm의 작은 직경을 갖는 100% 단일 라멜라 구조로 인해 E50의 표면적이 상당히 크기 때문으로 설명될 수 있다. 리포플렉스의 표면 전하가 중성에서 음전하로 이동함에 따라(더 낮은 N/P 비율에서), 양이온성 리포좀에서 DOTAP의 양전하를 상쇄하는 mRNA 과잉으로 인해 복합체는 향상된 안정성과 감소된 크기를 나타냈다. 크기 및 제타 전위 변화의 이러한 경향은 모든 리포플렉스에서 일관적이었다. 특히, 다중 라멜라 또는 다중 소포 구조를 갖는 리포좀은 단일/이중 라멜라 리포좀에 비해 상대적으로 높은 N/P 비율에서 응집되는 경향이 있었다. 이러한 행동은 다중 라멜라 또는 다중 소포 리포좀의 표면에서 양이온성 지질의 노출이 제한적이기 때문일 가능성이 높다. 종합적으로, 이러한 결과는 리포플렉스의 콜로이드 불안정성 영역이 초기 리포좀 형태와 N/P 비율 모두에 의해 상당한 영향을 받음을 보여준다. In general, at high charge ratios (N/P > 6), predominantly positively charged particles were generated, whereas at low charge ratios (N/P < 1.0), negatively charged lipoplexes were generated. Notably, most of the lipoplexes exhibited near-neutral surface charge and reached their largest size at an N/P ratio of 1.5, where nearly equal molar ratios of cationic lipids and nucleic acids coexist. However, an exceptional case was observed for LC-based lipoplexes, where the largest size was reached at an N/P ratio of 3.0 ( Figure 3B ). This unusual observation in LC-based lipoplexes can be explained by the relatively high fraction (~65%) of multilamellar structures generated by freeze–thaw cycling. A higher N/P ratio was required to neutralize the overall charge when the amount of cationic lipids exposed on the surface was small. Similarly, for VOR and L4.0, relatively large lipoplexes (~1,000 nm) were formed at an N/P ratio of 3.0. This phenomenon can be explained by the relatively low ratio of single- and double-lamellar structures. Interestingly, E50-derived lipoplexes with an N/P ratio of 1.5 (E50-1.5) formed significantly larger aggregates than E400-derived lipoplexes (E400-1.5). This result can be explained by the considerably large surface area of E50 due to the 100% single-lamellar structure with a small diameter of about 70 nm. As the surface charge of the lipoplexes shifted from neutral to negative (at lower N/P ratios), the complexes exhibited enhanced stability and reduced size due to the excess of mRNA that counteracted the positive charge of DOTAP in the cationic liposomes. This trend in size and zeta potential changes was consistent for all lipoplexes. In particular, liposomes with multilamellar or multivesicular structures tended to aggregate at relatively high N/P ratios compared to unilamellar or bilamellar liposomes. This behavior is likely due to the limited exposure of cationic lipids on the surface of multilamellar or multivesicular liposomes. Collectively, these results demonstrate that the region of colloidal instability of lipoplexes is significantly affected by both the initial liposome morphology and the N/P ratio.
mRNA-리포플렉스의 생물학적 효능Biological efficacy of mRNA-lipoplexes
리포플렉스의 생물학적 효능을 평가하기 위해, HEK293T 세포를 사용하여 in vitro 세포 형질감염 실험을 수행하였다. 리포플렉스로 24시간 처리한 후, 세포를 용해시켜 루시퍼레이즈 발현의 상대적 강도를 측정하였다. 우세한 경향은 E400-1.5 및 LC-3과 같은 N/P 비율 3의 LC 유래 리포플렉스와 같이 응집된 입자를 갖는 리포플렉스가 일관적으로 낮은 형질감염 효율을 나타냄을 보여주었다(도 4A). 반대로, 응집 임계값 부근에 있는 양으로 하전된 인접 리포플렉스(예: E400-3 및 LC-6)는 일관적으로 더 높은 효율을 나타냈다. 그러나 과도하게 높은 N/P 비율(~9.0)에서는 과량의 양이온성 지질 및/또는 mRNA의 비효율적인 방출로 인해 모든 리포플렉스에서 형질감염 효율이 감소하였다5, 56. 흥미롭게도, 약 3.0에서 6.0의 N/P 비율 범위 내에서 초기 리포좀 구조에 따라 다른 패턴이 관찰되었다. 예를 들어, 단층/이중층 리포좀의 비율이 낮은 L4.0 기반 리포플렉스는 N/P 비율 6.0에서 가장 높은 루시퍼레이즈 발현을 나타냈으며, N/P 비율 3.0에서 가장 낮은 값을 나타냈다. 대조적으로, L2.0 기반 리포플렉스는 E400 기반 리포플렉스와 유사한 형질감염 효율 경향을 나타냈으며, 이는 E400과 유사하게 높은 비율의 단일 라멜라 구조와 일치하였다. 주목할 만하게, 음으로 하전된 LC 기반 리포플렉스(예: LC-1.5 및 LC-0.75)는 E400-3 및 LC-6과 같은 양이온성 리포플렉스와 유사한 루시퍼레이즈 발현 수준을 나타냈으며, 다른 유형의 리포플렉스에서 관찰된 결과와는 달랐다. To evaluate the biological efficacy of the lipoplexes, in vitro cell transfection experiments were performed using HEK293T cells. After 24 h of treatment with lipoplexes, cells were lysed and the relative intensity of luciferase expression was measured. The predominant trend was that lipoplexes with aggregated particles, such as LC-derived lipoplexes with an N/P ratio of 3, such as E400-1.5 and LC-3, consistently exhibited lower transfection efficiencies ( Figure 4A ). Conversely, positively charged adjacent lipoplexes near the aggregation threshold (e.g., E400-3 and LC-6) consistently exhibited higher efficiencies. However, at excessively high N/P ratios (~9.0), transfection efficiencies were reduced in all lipoplexes due to excess cationic lipids and/or inefficient release of mRNA5, 56. Interestingly, different patterns were observed depending on the initial liposome structure within the N/P ratio range of approximately 3.0 to 6.0. For example, L4.0-based lipoplexes with low ratio of unilamellar/bilamellar liposomes exhibited the highest luciferase expression at an N/P ratio of 6.0 and the lowest at an N/P ratio of 3.0. In contrast, L2.0-based lipoplexes exhibited a similar trend in transfection efficiency to E400-based lipoplexes, which was consistent with a high ratio of unilamellar structures similar to E400. Notably, negatively charged LC-based lipoplexes (e.g., LC-1.5 and LC-0.75) exhibited similar luciferase expression levels to cationic lipoplexes such as E400-3 and LC-6, which was different from the results observed with other types of lipoplexes.
VOR 기반 리포플렉스는 뚜렷한 경향성 없이 루시퍼레이즈 발현 수준에서 상당한 편차를 보였다(도 7). 이러한 편차는 볼텍싱 리포좀의 이질성으로 인해 발생하는 복합체 형성의 변동성에 기인할 가능성이 높다. 한편, E50 유래 리포플렉스는 모든 N/P 비율에서 낮은 루시퍼레이즈 발현을 나타냈다. 리포플렉스의 크기 효과에 대해서는 신중하게 접근할 필요가 있지만, E50 유래 리포플렉스에서 낮은 형질감염 효율은 지질 어셈블리의 작은 크기와 관련이 있을 수 있다. 이러한 가설은 E400 유래 리포플렉스와 E50 유래 리포플렉스 사이에서 관찰된 주목할만한 성능 차이에 의해 뒷받침된다. 압출에 의해 달성된 유사한 리포좀 형태에도 불구하고, 큰 리포좀으로부터 유래한 E400 기반 리포플렉스는 동일한 N/P 비율에서 E50 유래 리포플렉스보다 높은 형질감염 효율을 나타냈다. 이는 특히 압출된 리포좀으로부터 유래된 리포플렉스에서 리포플렉스의 형질감염 결과에 있어서 지질 어셈블리 크기의 중요성을 강조한다.VOR-based lipoplexes showed significant variation in luciferase expression levels without a clear trend ( Figure 7 ). This variation is likely due to the variability in complex formation resulting from the heterogeneity of vortexed liposomes. On the other hand, E50-derived lipoplexes showed low luciferase expression at all N/P ratios. Although the size effect of lipoplexes needs to be approached cautiously, the lower transfection efficiency in E50-derived lipoplexes may be related to the smaller size of the lipid assemblies. This hypothesis is supported by the notable performance differences observed between E400-derived and E50-derived lipoplexes. Despite similar liposome morphologies achieved by extrusion, E400-based lipoplexes derived from larger liposomes showed higher transfection efficiency than E50-derived lipoplexes at the same N/P ratio. This highlights the importance of lipid assembly size on the transfection outcome of lipoplexes, especially in lipoplexes derived from extruded liposomes.
중성 LNP는 주로 간을 표적으로 하지만, N/P 전하비를 조정함으로써 리포플렉스가 특정 장기를 표적으로 삼을 수 있음이 보고되었다. 양이온성 리포플렉스는 폐 또는 폐와 비장 모두를 표적으로 삼을 수 있는 능력을 보여준 반면, 음이온성 리포플렉스는 비장을 특이적으로 표적으로 삼는다. 이러한 현상은 비장의 수지상 세포를 표적으로 하는 백신 개발로 이어졌다. 또한, 유사한 표면 전하 의존적 선택적 장기 표적화(SORT) LNP가 기존 LNP에 하전된 지질을 포함시켜 설계되었다. 이러한 배경을 바탕으로, 본 발명자는 효과적인 in vitro 형질감염을 보였으며 구조적으로 뚜렷한 차이를 보이는 압출 및 LUCA 사이클로 제조된 리포플렉스를 중심으로 양이온성 및 음이온성 리포플렉스의 in vivo 생물학적 효능 및 장기 선택적 생체분포를 평가하였다..Neutral LNPs primarily target the liver, but it has been reported that lipoplexes can be targeted to specific organs by adjusting the N/P charge ratio. Cationic lipoplexes have shown the ability to target the lung or both the lung and spleen, whereas anionic lipoplexes specifically target the spleen. This phenomenon has led to the development of vaccines targeting splenic dendritic cells. In addition, similar surface charge-dependent selective organ targeting (SORT) LNPs have been designed by incorporating charged lipids into conventional LNPs. Based on this background, the inventors evaluated the in vivo biological efficacy and organ-selective biodistribution of cationic and anionic lipoplexes, focusing on lipoplexes prepared by extrusion and LUCA cycles, which showed effective in vitro transfection and structurally distinct differences.
도 4b에서 보듯이, N/P 비율이 3인 E400으로부터 유래한 양이온성 리포플렉스인 E400-3은 주로 비장에서 루시퍼레이즈를 발현하였으며, 이는 동일한 전하비에서 관찰된 이전 결과와 일치한다. 더 높은 양전하를 갖는 E400-6은 폐와 비장으로의 표적화가 향상되어, N/P 비율의 상승이 폐 표적화를 증가시킬 수 있음을 나타낸다(도 9). 주목할 만하게, 이러한 표적화 패턴은 LC-6에 의한 폐와 비장의 표적화를 통해 확인된 바와 같이 LC 유래 리포플렉스에서도 지속되었다. 반면, 음이온성 E400-0.75 및 LC-0.75는 명확한 비장 특이적 표적화 능력을 나타냈다(도 4c). 이러한 일관적인 장기 표적화 능력의 경향은 단쇄 DHPC를 포함한 후에도 관찰되어, 다양한 구조적 특성을 갖는 리포플렉스의 장기 표적화 생물학적 효능을 입증하였다.As shown in Fig. 4b , cationic lipoplexes derived from E400 with an N/P ratio of 3, E400-3, mainly expressed luciferase in the spleen, consistent with previous results observed at the same charge ratio. E400-6 with a higher positive charge exhibited enhanced targeting to the lung and spleen, suggesting that increasing the N/P ratio may enhance lung targeting ( Fig. 9 ). Notably, this targeting pattern was sustained in LC-derived lipoplexes, as confirmed by targeting to the lung and spleen by LC-6. In contrast, anionic E400-0.75 and LC-0.75 exhibited clear spleen-specific targeting abilities ( Fig. 4c ). This consistent trend of organ-targeting abilities was observed even after the inclusion of short-chain DHPC, demonstrating the organ-targeting biological efficacy of lipoplexes with diverse structural properties.
리포플렉스의 in vivo 장기 표적화 능력은 N/P 비율에 의해 크게 영향을 받는다는 점을 강조해야 한다. 반면, 최적의 in vitro 형질감염 효율을 위한 N/P 비율은 초기 리포좀 형태에 의해 복잡하게 조절된다. 종합하면, 이러한 결과는 리포플렉스에서 최적의 N/P 비율의 변동성이 양이온성 리포좀의 구조적 특성에 의존하며, 이는 생물학적 효능에 깊은 영향을 미친다는 것을 시사한다. 지질 조성의 영향을 넘어서, 이는 mRNA 전달 시스템을 설계할 때 양이온성 리포좀 구조와 N/P 비율을 동시에 고려하는 것이 중요함을 강조한다.It should be emphasized that the in vivo organ targeting ability of lipoplexes is significantly influenced by the N/P ratio. In contrast, the N/P ratio for optimal in vitro transfection efficiency is intricately regulated by the initial liposome morphology. Taken together, these results suggest that the variability of the optimal N/P ratio in lipoplexes depends on the structural characteristics of cationic liposomes, which profoundly influences their biological efficacy. Beyond the influence of lipid composition, this highlights the importance of simultaneously considering both cationic liposome structure and N/P ratio when designing mRNA delivery systems.
양이온성 및 음이온성 리포플렉스의 구조적 특성Structural characteristics of cationic and anionic lipoplexes
지질 어셈블리의 구조가 리포플렉스 구조에 미치는 영향을 더 잘 이해하기 위해, 다음으로 cryo-EM 영상 실험을 수행하였다. 양이온성 및 음이온성 리포플렉스는 그들의 순 전하 및 생물학적 효능을 기반으로 선택되었으며, 응집점 부근의 N/P 비율에 초점을 맞추었다. E50, E400 및 L2.0으로부터 제조된 리포플렉스의 경우, 중성 전하점은 N/P = 1.5에서 확인되었다. 따라서, 양이온성 및 음이온성 리포플렉스는 각각 N/P 비율 3 및 0.75에서 연구되었다. 반면, VOR, LC 및 L4.0으로부터 유래된 리포플렉스는 N/P 비율 범위 3에서 1.5 사이에서 상대적인 불안정성을 나타냈다. 따라서, 이러한 리포플렉스의 경우, 양이온성 및 음이온성 케이스를 각각 N/P 비율 6 및 0.75에서 선택하였다. 주목할 만하게, 후자의 경우의 초기 리포좀 구조는 전자의 경우에 비해 단층/이중층 구조의 함량이 상대적으로 낮았다. 대표적인 cryo-EM 이미지는 도 5에 제시되어 있다. To better understand the influence of the structure of the lipid assemblies on the lipoplex architecture, cryo-EM imaging experiments were performed next. Cationic and anionic lipoplexes were selected based on their net charge and biological efficacy, focusing on the N/P ratio near the aggregation point. For lipoplexes prepared from E50, E400, and L2.0, the neutral charge point was identified at N/P = 1.5. Therefore, cationic and anionic lipoplexes were studied at N/P ratios of 3 and 0.75, respectively. On the other hand, lipoplexes derived from VOR, LC, and L4.0 showed relative instability in the N/P ratio range from 3 to 1.5. Therefore, for these lipoplexes, cationic and anionic cases were selected at N/P ratios of 6 and 0.75, respectively. Notably, the initial liposome structures in the latter cases had relatively lower contents of unilamellar/bilayer structures compared to the former cases. Representative cryo-EM images are presented in Fig. 5 .
양이온성 리포플렉스(도 5a)에서 VOR-6은 고대비의 두꺼운 층과 공간을 보였는데, 이는 리포플렉스 내에서 핵산과 양이온성 지질 사이의 상호작용에 의해 형성된 응축된 복합체 구조를 나타낸다. 이러한 구조적 특징은 VOR의 다중 소포 구조의 비율이 높음(44%)에 의해 영향을 받았을 가능성이 높다. 왜냐하면 더 작은 mRNA 분자는 훨씬 더 크고 유연한 VOR의 초기 리포좀 구조에 큰 영향을 미치지 못할 수 있기 때문이다. 음이온성 VOR-0.75가 과량의 mRNA로 제조되었을 때(도 5b), 양이온성 지질 막과 mRNA 분자 사이의 강한 정전기적 상호작용으로 인해 리포플렉스 입자 내부 및 입자 사이에 쌍을 이룬 라멜라 구조가 형성되었다. 이러한 샌드위치 형태의 라멜라 상은 DOTAP/DOPE 리포플렉스 시스템에서 흔히 관찰되는 특징적인 '지문' 패턴을 생성했지만, VOR의 크고 다중 소포성 리포좀 구조로 인해 리포플렉스 내부에 빈 공간이 관찰되었다.In cationic lipoplexes ( Figure 5a ), VOR-6 exhibited high-contrast thick layers and voids, indicating a condensed complex structure formed by the interaction between the nucleic acid and the cationic lipid within the lipoplex. This structural feature was likely influenced by the high proportion of multivesicular structures of VOR (44%), because smaller mRNA molecules may not have a significant effect on the initial liposomal structure of the much larger and more flexible VOR. When anionic VOR-0.75 was prepared with excess mRNA ( Figure 5b ), paired lamellar structures were formed within and between lipoplex particles due to the strong electrostatic interactions between the cationic lipid membrane and the mRNA molecules. This sandwiched lamellar phase produced the characteristic 'fingerprint' pattern commonly observed in DOTAP/DOPE lipoplex systems, but voids were observed within the lipoplexes due to the large, multivesicular liposome structure of VOR.
대조적으로, E50 유래 리포플렉스는 소량(E50-3) 또는 다량(E50-0.75)의 mRNA와 복합화되었을 때 치밀한 라멜라 구조를 보였다. 이러한 치밀한 내부 구조는 E50의 높은 표면적에 의해 유도되었을 수 있다. 또한, E50-3은 다른 양이온성 리포플렉스에 비해 연결되고 길쭉한 구조를 나타냈는데, 이는 E50-3에서 관찰된 낮은 형질감염 효율을 부분적으로 설명할 수 있다. 유사하게, E400-3은 리포플렉스의 '지문' 패턴을 나타내는 일련의 밀집된 라멜라 구조를 보였다. 이 리포플렉스는 E50-3에 비해 더 큰 크기와 비교적 구형의 모양을 나타냈으며, 이는 더 높은 형질감염 효율을 나타냈다. 반면, E400-0.75는 짧은 길이의 다중 라멜라 복합체로 연결된 길쭉한 구조를 나타냈다. 이러한 길쭉한 구조는 이전 연구에서 관찰된 바와 일치하며, 낮은 N/P 비율 조건에서 과량의 mRNA가 스파게티 모양의 관 모양 돌기 또는 연장된 주기적인 다중 라멜라 구조를 유도한다는 것을 보여준다―61, 62. 따라서, E400-0.75의 길쭉한 구조는 과량의 mRNA에 의해 유도된 것으로 보이며, in vitro에서 감소된 형질감염 효율에 부분적으로 기여한다.In contrast, E50-derived lipoplexes exhibited dense lamellar structures when complexed with small (E50-3) or large (E50-0.75) amounts of mRNA. This dense internal structure may be induced by the high surface area of E50. In addition, E50-3 exhibited connected and elongated structures compared to other cationic lipoplexes, which may partly explain the lower transfection efficiency observed with E50-3. Similarly, E400-3 exhibited a series of closely packed lamellar structures, representing the ‘fingerprint’ pattern of lipoplexes. These lipoplexes exhibited larger size and relatively spherical shape compared to E50-3, which indicated higher transfection efficiency. In contrast, E400-0.75 exhibited elongated structures connected by short-length multilamellar complexes. These elongated structures are consistent with those observed in previous studies, showing that excess mRNA under low N/P ratio conditions induces spaghetti-like tubular projections or elongated periodic multilamellar structures— 61, 62. Thus, the elongated structures of E400-0.75 appear to be induced by excess mRNA, contributing in part to the reduced transfection efficiency in vitro.
놀랍게도, LC의 동심원 다중 라멜라 구조는 양이온성 LC-6에서 mRNA 혼입 후에도 현저하게 보존되었다. LC-6의 외층은 LC에 비해 두께가 증가하였으며, 내층은 mRNA와의 결합으로 인해 밀집된 상태로 변형되었다. 리포플렉스에서 이러한 리포좀 구조의 보존은 LC에서 고밀도로 포장된 동심원 다중 라멜라 구조로 특징지어지는 경우에만 관찰되었다. 이러한 양상은 E50 및 E400과 같은 기존의 단층막 리포좀과는 뚜렷한 대조를 이루는데, 이러한 리포좀은 핵산과의 복합화 시 뒤틀린 복잡한 어셈블리로 변형되는 경향이 있다. 반면, 음이온성 LC-0.75는 mRNA의 첨가에 의해 전형적인 라멜라 구조를 나타냈으며, 이는 과량의 mRNA에 의해 유도된 강한 정전기적 상호작용이 동심원 다중 라멜라 구조를 지문 패턴으로 재구성했음을 시사한다. 짧은 사슬의 DHPC를 첨가하자, L4.0-6은 L4.0의 혼합된 다중 라멜라, 단일/이중 라멜라 및 다중 소포체 형태에 의해 유도된 것으로 보이는 동심원 다중 라멜라와 두꺼운 층을 모두 갖는 하이브리드 구조를 나타냈다. DHPC 함량이 증가함에 따라 L2.0-3은 E400-3과 유사한 지문과 같은 다중 라멜라 구조를 나타냈으며, 이는 주로 단층막 구조의 비율이 높기 때문이다. 음이온성 리포플렉스에서 L4.0-0.75 및 L2.0-0.75는 모두 과량의 mRNA에 노출되었을 때 전형적인 밀집된 지문 패턴을 나타냈다. Surprisingly, the concentric multilamellar structure of LC was remarkably preserved after mRNA incorporation in cationic LC-6. The outer layer of LC-6 was thicker than that of LC, and the inner layer was deformed into a dense state due to binding to mRNA. In lipoplexes, this preservation of liposome structure was observed only when LC was characterized by a densely packed concentric multilamellar structure. This behavior is in sharp contrast to conventional unilamellar liposomes, such as E50 and E400, which tend to deform into distorted complex assemblies upon complexation with nucleic acids. In contrast, anionic LC-0.75 showed a typical lamellar structure upon addition of mRNA, suggesting that strong electrostatic interactions induced by excess mRNA reorganized the concentric multilamellar structure into a fingerprint pattern. Upon addition of short-chain DHPC, L4.0-6 exhibited hybrid structures with both concentric multilamellar and thick layers, which appear to be induced by the mixed multilamellar, unilamellar/bilamellar, and multivesicular morphologies of L4.0. With increasing DHPC content, L2.0-3 exhibited multilamellar structures with fingerprints similar to those of E400-3, which are mainly due to the high proportion of unilamellar structures. In anionic lipoplexes, both L4.0-0.75 and L2.0-0.75 exhibited typical dense fingerprint patterns when exposed to excess mRNA.
결론적으로, 우리의 연구 결과는 양이온성 리포좀의 구조와 N/P 비율 모두가 mRNA-리포플렉스의 구조에 상당한 영향을 미친다는 것을 강조한다. 이는 지질 어셈블리의 구조를 조절하는 제조 공정의 중요성과 지질 기반 어셈블리의 구조를 조절하고 mRNA 전달 시스템을 향상시키기 위한 제조 공정 개발의 잠재력을 강조한다.In conclusion, our results highlight that both the structure of cationic liposomes and the N/P ratio significantly influence the structure of mRNA-lipoplexes. This highlights the importance of the manufacturing process in controlling the structure of lipid assemblies and the potential for developing manufacturing processes to control the structure of lipid-based assemblies and improve mRNA delivery systems.
압출법 및 LUCA 순환법으로 제작된 리포좀과 리포플렉스의 구조 비교Structural comparison of liposomes and lipoplexes produced by extrusion and LUCA circulation methods
지질 어셈블리의 형태학적 구조에 대한 깊은 이해를 얻기 위해, 우리는 400 nm 압출 E400 및 LUCA 사이클 LC로부터의 대표적인 양이온성/음이온성 리포플렉스의 라멜라 층 내의 상세한 반복 거리에 대한 비교 분석을 수행하였다 (도 6A). mRNA 복합화 이전에, LC의 cryo-EM 및 빠른 푸리에 변환(FFT) 이미지는 9.68 ± 1.61 nm의 층간 간격을 갖는 고유한 동심원 다중 라멜라 구조에서 발생하는 라멜라 패턴을 보여주었다 (도 6B, C). 리포플렉스에서 라멜라 층의 반복 거리를 더욱 분석하기 위해, 원래의 cryo-EM 이미지에서 특징적인 라멜라 구조를 선택한 다음, FFT 및 픽셀 강도 프로파일 분석을 수행하였다 (도 10).To gain a deeper understanding of the morphological architecture of the lipid assemblies, we performed a comparative analysis of the detailed repeat distances within the lamellar layers of representative cationic/anionic lipoplexes from 400 nm-extruded E400 and LUCA cycle LCs ( Figure 6A ). Prior to mRNA complexation, cryo-EM and fast Fourier transform (FFT) images of the LCs showed the lamellar pattern arising from unique concentric multilamellar structures with an interlayer spacing of 9.68 ± 1.61 nm ( Figure 6B, C ). To further analyze the repeat distances of the lamellar layers in the lipoplexes, characteristic lamellar structures were selected from the original cryo-EM images, and then FFT and pixel intensity profile analyses were performed ( Figure 10 ).
양이온성 E400-3에서 mRNA와 복합화되면, 단일 측면 반복의 라멜라 구조가 관찰되었으며, 전자밀도가 높은 주기적인 층이 FFT 이미지 분석 및 강도 라인 프로파일링을 통해 명확하게 관찰되었다. 반면, 양이온성 LC-6은 뚜렷하게 두 개의 분리된 층간 간격(지질 이중층의 두께와 mRNA가 포함된 수층의 두께의 합)을 보였으며, 7.8 nm/c 및 14.4 nm/c의 주요 주파수를 가지며, 동일한 영역의 라인 플롯에 의해 뒷받침되었다(도 6D). E400-3의 평균 층간 간격은 6.60 ± 1.16 nm로 LC-6에서 관찰된 간격보다 작았다. 즉, E400-3의 라멜라 구조는 더 밀집되어 있음을 의미한다. 외부 라멜라 층은 12.74 ± 1.98 nm의 간격을 나타냈으며, 내부 라멜라 층은 7.83 ± 0.93 nm의 간격으로 더욱 밀집되어 있었다(도 6E). LC-6에서 뚜렷한 층간 간격은 mRNA가 내부 또는 외부 영역에 다르게 캡슐화되거나 포장되었을 가능성을 시사한다. 양이온성 리포플렉스 내의 라멜라 구조는 소각 X-선 산란(SAXS) 분석을 통해서도 확인되었지만(도 6F), E400-3 및 LC-6은 유사한 d-간격을 보였다. 이러한 관찰 결과의 차이는 기술의 민감도 차이에 기인할 수 있는데, SAXS는 대규모 벌크 분석을 특징으로 하는 반면, cryo-EM은 개별 입자에 초점을 맞춘 국소적인 형태를 제공한다. 따라서, 이러한 측정은 리포플렉스 구조의 포괄적인 분석에 시너지 효과적으로 기여할 수 있다. 과량의 mRNA가 혼입되었을 때, E400-0.75 및 LC-0.75는 모두 FFT 분석에서 단일 주파수를 갖는 특징적인 라멜라 패턴의 회절 반점을 나타냈으며, 각각 6.99 ± 0.31 nm 및 6.51 ± 0.45 nm의 유사한 층간 간격을 보였다(도 6G-H). 이러한 결과는 SAXS 분석에 의해서도 뒷받침되었다(도 6I). 종합적으로, 관찰된 층간 간격은 리포플렉스에서 다중 라멜라 구조에 대해 보고된 값과 일치하였으며, 과량의 mRNA가 리포플렉스 구조를 개조하여 양이온성 리포좀의 구조에 관계없이 유사한 층간 간격을 나타내게 함을 시사한다.When complexed with mRNA in cationic E400-3, a single-sided repeating lamellar structure was observed, with periodic layers of high electron density clearly observed by FFT image analysis and intensity line profiling. In contrast, cationic LC-6 showed distinctly two separate interlayer spacings (the sum of the thickness of the lipid bilayer and the thickness of the mRNA-containing aqueous layer) with dominant frequencies of 7.8 nm/c and 14.4 nm/c, which were supported by line plots in the same region ( Figure 6D ). The average interlayer spacing of E400-3 was 6.60 ± 1.16 nm, which was smaller than that observed in LC-6, indicating that the lamellar structure of E400-3 was more densely packed. The outer lamellar layers showed a spacing of 12.74 ± 1.98 nm, whereas the inner lamellar layers were more densely packed with a spacing of 7.83 ± 0.93 nm ( Figure 6E ). The distinct interlayer spacing in LC-6 suggests that mRNA may be encapsulated or packaged differently in the inner or outer domains. The lamellar structure within the cationic lipoplexes was also confirmed by small-angle X-ray scattering (SAXS) analysis ( Figure 6F ), although E400-3 and LC-6 showed similar d-spacings. This difference in observational results may be due to the difference in sensitivity of the techniques: SAXS characterizes a large-scale bulk analysis, whereas cryo-EM provides local morphology focused on individual particles. Therefore, these measurements can synergistically contribute to a comprehensive analysis of the lipoplex structure. When excess mRNA was incorporated, both E400-0.75 and LC-0.75 showed characteristic lamellar patterns with single-frequency diffraction spots in FFT analysis, with similar interlayer spacings of 6.99 ± 0.31 nm and 6.51 ± 0.45 nm, respectively ( Figures 6G–H ). These results were also supported by SAXS analysis ( Figure 6I ). Overall, the observed interlayer spacing was consistent with the values reported for multilamellar structures in lipoplexes, suggesting that the excess mRNA modifies the lipoplex structure to exhibit similar interlayer spacing regardless of the structure of cationic liposomes.
LC 리포좀의 동심원 다중 라멜라 구조가 양이온성 LC-6에서 두 개의 뚜렷한 부분으로 변형되는 현상은 매우 흥미롭다. LC-6에서 내부 영역은 압축되었으며, 외부 층간 간격은 mRNA 복합화에 따라 확장되었다(도 11). 과량의 mRNA가 존재할 경우, 이러한 동적인 변화는 사라졌으며, 음이온성 LC-0.75는 전형적인 층간 간격을 갖는 지문 패턴을 나타냈다. cryo-EM을 이용하여 mRNA와 같은 핵산 분자를 직접 관찰하는 것은 여전히 어려움이 있지만, 핵산 분자는 지질 어셈블리 내의 구조적 특징과 전자밀도에 미치는 영향을 통해 추론할 수 있다. 특히, 리포플렉스 내부의 지질 이중층 평면 사이의 대비는 외부 가장자리보다 더욱 두드러졌다(도 5 참조). 이러한 관찰은 지질 이중층 사이에 전자밀도가 높은 mRNA 분자가 끼어 있음을 암시하며, 이는 mRNA 분자가 인접한 양이온성 지질 이중층 사이의 부착을 촉진할 수 있기 때문에 리포플렉스에서 밀집된 다중 라멜라 구조가 형성되는 것에 대한 가능한 설명이 된다. 놀랍게도, LC-6 내부의 mRNA 분자들은 외측 라멜라에서 '부풀어 오른' 분포를 보였으며, 넓고 고대비의 외형으로 나타났다. 이는 상당량의 mRNA가 이 영역에 갇혀 있고, 다량의 물이 유입되었을 가능성을 시사한다. 이는 다중 라멜라 이중층 내에 상당량 존재하는 양이온성 DOTAP 지질과의 상당한 정전기적 상호작용으로 인한 것일 수 있다. 대조적으로, LC-6의 내부 영역은 더욱 밀집된 라멜라 구조를 가지며, mRNA 분자를 적게 수용하는 것으로 보인다. 이는 내부 층에서 양이온성 지질의 양이 적고, 리포좀의 내부 층에서 mRNA가 접근하기 어렵기 때문일 수 있다. 그럼에도 불구하고, LC-6 리포플렉스 내부 영역의 층간 간격은 E400-3 리포플렉스에서 관찰된 것보다 더 크다는 점은 주목할 만하다. 이는 E400 리포좀의 단층막 지질 막이 mRNA와 밀접하게 밀집되는 경향이 있음을 시사하며, E400 리포좀의 단층막 지질 막이 다중 라멜라 막에 비해 상대적으로 유연하여 변형에 더 쉽게 적응하기 때문일 수 있다. 반면, 음이온성 E400-0.75 및 LC-0.75에서 관찰된 유사한 층간 간격은 매우 낮은 N/P 비율에서 과량의 mRNA 분자에 의한 강한 정전기적 상호작용이 다중 라멜라 지질 이중층의 고유한 강성을 극복하고 리포플렉스 내에 밀집된 지문 패턴의 유도를 초래함을 시사한다.It is interesting that the concentric multilamellar structure of LC liposomes transforms into two distinct parts in cationic LC-6. In LC-6, the inner region is compressed, while the outer interlamellar gap expands upon mRNA complexation ( Figure 11 ). In the presence of excess mRNA, this dynamic change disappeared, and anionic LC-0.75 exhibited a fingerprint pattern with a typical interlamellar gap. Although direct observation of nucleic acid molecules such as mRNA using cryo-EM is still difficult, nucleic acid molecules can be inferred from their structural features and their influence on electron density within the lipid assembly. In particular, the contrast between the lipid bilayer planes inside the lipoplex was more pronounced than that at the outer edge (see Figure 5 ). This observation suggests that electron-dense mRNA molecules are sandwiched between lipid bilayers, which provides a possible explanation for the formation of a dense multilamellar structure in lipoplexes, as mRNA molecules can facilitate the attachment between adjacent cationic lipid bilayers. Surprisingly, the mRNA molecules inside LC-6 showed a 'bulged' distribution in the outer lamella, with a broad, high-contrast appearance. This suggests that a significant amount of mRNA is trapped in this region, possibly due to significant electrostatic interactions with the cationic DOTAP lipids present in large quantities within the multilamellar bilayer. In contrast, the inner region of LC-6 has a more densely packed lamellar structure and appears to accommodate fewer mRNA molecules. This may be due to the lower amount of cationic lipids in the inner layer and the less accessible mRNA in the inner layer of the liposome. Nevertheless, it is noteworthy that the interlamellar spacing in the inner region of LC-6 lipoplexes is larger than that observed in E400-3 lipoplexes. This suggests that the monolayer lipid membrane of E400 liposomes tends to pack the mRNA closely, and this may be because the monolayer lipid membrane of E400 liposomes is relatively flexible compared to the multilamellar membrane, making it more amenable to deformation. In contrast, the similar interlayer spacing observed for anionic E400-0.75 and LC-0.75 suggests that at very low N/P ratios, strong electrostatic interactions by excess mRNA molecules overcome the inherent rigidity of the multilamellar lipid bilayer, leading to the induction of a dense fingerprint pattern within the lipoplexes.
요약하면, 이러한 구조적 비교는 지질 어셈블리의 구조와 리포플렉스의 결과적인 구조 사이의 흥미로운 관계를 강조한다. 이러한 결과는 양이온성 리포좀과 mRNA 복합체 사이의 상호작용이 복잡한 과정임을 강조하며, 양이온성 리포좀의 구조가 mRNA-리포플렉스의 최종 구조에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여준다. 이러한 지식은 지질 기반 mRNA 전달 시스템의 최적화된 성능을 위해 리포좀의 구조적 측면을 이해하고 조절하는 것이 매우 중요하다는 것을 더욱 강조한다.In summary, these structural comparisons highlight an interesting relationship between the structure of the lipid assembly and the resulting structure of the lipoplex. These results emphasize that the interaction between the cationic liposome and the mRNA complex is a complex process, and that the structure of the cationic liposome significantly influences the final structure of the mRNA-lipoplex. This knowledge further emphasizes the importance of understanding and controlling the structural aspects of the liposome for the optimized performance of lipid-based mRNA delivery systems.
결론conclusion
본 발명은 mRNA 전달 시스템에서 지질 어셈블리의 생물물리학적 복잡성을 체계적으로 탐구하여, 리포좀 구조가 mRNA-리포플렉스 구조를 형성하는 데 중추적인 역할을 한다는 것을 밝혔다. mRNA 복합화 이전에, 양이온성 DOTAP/DOPE 리포좀은 크기 분포와 형태학적 특성에서 현저한 차이를 보였으며, 이는 주로 제조 방법에 의존하였다. 특히, 본 발명에 따른 제조방법에 포함되는 LUCA 사이클은 기존의 리포좀 시스템에서는 보고되지 않은 고유한 동심원 다중 라멜라 구조를 리포좀에서 생성하였다. 양이온성 리포좀의 이러한 구조적 특징은 mRNA-리포플렉스에서 최적의 N/P 전하비에 중대한 영향을 미쳤는데, 다중 라멜라 리포좀은 양이온성 지질의 노출이 적기 때문에 단층막 리포좀에 비해 더 높은 N/P 비율에서 응집되기 때문이다. 또한, 생물학적 분석 결과, 양이온성 리포좀의 구조적 특성에 의해 결정되는 리포플렉스 내에서 최적의 N/P 비율의 변동성이 생물학적 효능에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다. cryo-EM 분석은 주로 양이온성 리포좀 구조와 N/P 비율에 의해 영향을 받는 리포플렉스 간의 구조적 차이를 밝혔다. 압출 및 LUCA 사이클 리포좀과 리포플렉스의 비교 구조 분석은 LUCA 사이클 리포좀으로부터 유래한 양이온성 리포플렉스에서 동심원 다중 라멜라 구조가 보존되며, 내부 및 외부 라멜라 사이에 두 가지 뚜렷한 층간 간격을 나타냄을 보여주었다. 전반적으로, 본 발명의 결과는 지질 어셈블리의 구조와 결과적으로 생성되는 리포플렉스의 특성 사이의 복잡한 관계에 대한 귀중한 통찰력을 제공하며, 지질 기반 mRNA 전달 시스템의 발전을 위한 기반을 마련한다.The present invention systematically explores the biophysical complexity of lipid assembly in mRNA delivery systems, revealing that liposome structure plays a pivotal role in forming mRNA-lipoplex structures. Prior to mRNA complexation, cationic DOTAP/DOPE liposomes showed significant differences in size distribution and morphological characteristics, which mainly depended on the preparation method. In particular, the LUCA cycle included in the preparation method according to the present invention generated a unique concentric multilamellar structure in liposomes that has not been reported in existing liposome systems. These structural features of cationic liposomes significantly affected the optimal N/P charge ratio in mRNA-lipoplexes, since multilamellar liposomes aggregate at a higher N/P ratio than unilamellar liposomes due to less exposure of cationic lipids. In addition, biological analysis results showed that the variability of the optimal N/P ratio within lipoplexes, which is determined by the structural characteristics of cationic liposomes, significantly affected the biological efficacy. Cryo-EM analysis revealed structural differences between lipoplexes, which are mainly influenced by the cationic liposome architecture and the N/P ratio. Comparative structural analysis of extruded and LUCA cycle liposomes and lipoplexes showed that the concentric multilamellar structure is preserved in cationic lipoplexes derived from LUCA cycle liposomes, exhibiting two distinct interlamellar spacings between the inner and outer lamellae. Overall, our results provide valuable insights into the complex relationship between the architecture of lipid assemblies and the properties of the resulting lipoplexes, laying the foundation for the development of lipid-based mRNA delivery systems.
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140038288A (en) * | 2012-09-19 | 2014-03-28 | 조지타운 유니버시티 | Targeted liposomes |
| JP5873858B2 (en) * | 2006-04-28 | 2016-03-01 | チルドレンズ ホスピタル メディカル センター | Composition comprising a fusion protein or polypeptide derived from prosaposin for application to a transmembrane drug delivery system |
| KR20200100619A (en) * | 2017-10-20 | 2020-08-26 | 비온테크 알엔에이 파마슈티컬스 게엠베하 | Preparation and storage of liposomal RNA formulations suitable for therapy |
| JP2021502380A (en) * | 2017-11-10 | 2021-01-28 | ユーシーエル ビジネス リミテッド | Improved lipid-peptide nanocomposite formulation for delivering mRNA to cells |
| KR20220126235A (en) * | 2021-03-08 | 2022-09-15 | 아이진 주식회사 | Composition for delivering RNA and Preparing method for the same |
| KR20230079064A (en) * | 2020-10-01 | 2023-06-05 | 비온테크 에스이 | Preparation and storage of liposomal RNA formulations suitable for therapy |
-
2025
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5873858B2 (en) * | 2006-04-28 | 2016-03-01 | チルドレンズ ホスピタル メディカル センター | Composition comprising a fusion protein or polypeptide derived from prosaposin for application to a transmembrane drug delivery system |
| KR20140038288A (en) * | 2012-09-19 | 2014-03-28 | 조지타운 유니버시티 | Targeted liposomes |
| KR20200100619A (en) * | 2017-10-20 | 2020-08-26 | 비온테크 알엔에이 파마슈티컬스 게엠베하 | Preparation and storage of liposomal RNA formulations suitable for therapy |
| JP2021502380A (en) * | 2017-11-10 | 2021-01-28 | ユーシーエル ビジネス リミテッド | Improved lipid-peptide nanocomposite formulation for delivering mRNA to cells |
| KR20230079064A (en) * | 2020-10-01 | 2023-06-05 | 비온테크 에스이 | Preparation and storage of liposomal RNA formulations suitable for therapy |
| KR20220126235A (en) * | 2021-03-08 | 2022-09-15 | 아이진 주식회사 | Composition for delivering RNA and Preparing method for the same |
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