一款溶剂有助于解决RNA疫苗面临的主要挑战

德克萨斯大学达拉斯分校的科学家开展的一项新研究，可能有助于解决某些COVID-19疫苗在全球部署时面临的一个重大挑战，即疫苗在运输和储存过程中需要保持在冰点以下。

在4月13日在线发表在《Nature Communications》的一项研究中,研究人员展示一个新的、廉价的技术,生成结晶外骨骼在微妙的脂质体和其他脂质纳米粒子在室温下,稳定他们一段时间,两个月,在他们的概念验证实验。

Moderna和辉瑞/生物科技公司的COVID-19疫苗使用脂质纳米颗粒——基本上是脂肪分子的球体——来保护和传递信使RNA，从而产生疫苗接受者对SARS-CoV-2病毒的免疫应答。

德克萨斯大学达拉斯分校化学、生物化学和生物工程副教授，该研究的通讯作者Jeremiah Gassensmith博士说:“将这些疫苗从生产到运送，一直保持在极冷状态的费用是一个需要解决的挑战，特别是因为许多国家没有足够的基础设施来维持这种冷链。尽管我们没有将目前COVID-19疫苗中使用的特定脂质纳米颗粒纳入这项工作，但我们的研究结果是朝着稳定脂质纳米颗粒迈出的一步，据我们所知，这是前所未有的。”

这项研究项目的想法是在Gassensmith和Gabriele Meloni博士喝咖啡休息时的一次讨论中产生的。Meloni博士是这项研究的通讯作者之一，也是达拉斯大学自然科学和数学学院的化学和生物化学助理教授。

Gassensmith的专业领域是生物材料和金属有机框架，而Meloni的研究重点是跨膜转运蛋白。这些蛋白质存在于细胞膜内，对各种小分子(包括离子和微量金属)进出细胞起着至关重要的作用。

“膜蛋白位于细胞膜上，这是一种脂质双分子层，”Meloni说。“为了研究它们的结构以及生物物理和生化特性，我们必须使用洗涤剂从膜中提取这些蛋白质，然后将它们重新组装成人造膜——一种蛋白质脂质体——模仿蛋白质的自然环境。”

脂质纳米颗粒和脂质体在结构上相似，在室温下都不具有热力学稳定性。脂质结构可以融合或聚集，暴露任何嵌入的膜蛋白或货物降解。

“我的研究领域面临的挑战之一是，膜蛋白和脂质双分子层都非常微妙，在本质上是亚稳定的，我们试图将它们结合起来，以了解这些蛋白质的功能，”Meloni说。“我们必须小心处理，每次都要准备新鲜的。它们不能长时间储存，也不容易运送给其他实验室的同事。”

研究人员共同努力开发了一种方法来稳定这种脂质系统，并以Meloni实验室的跨膜蛋白作为案例研究来证明他们的结果。

他们将脂质体(有些内含蛋白质，有些没有)与两种廉价化学品——醋酸锌和甲基咪唑——在缓冲溶液中混合。大约一分钟后，晶体基质开始在脂质体周围形成。

“我们认为脂质与锌的相互作用刚好足以形成一个初始的锌-甲基咪唑结构，然后在脂质球周围生长并完全包裹它，就像一个外骨骼，”Gassensmith说。“这与生物矿化类似，某些动物就是通过生物矿化形成外壳的。我们在某种程度上利用了自然来创造这种完全假的外壳，其中的生物大分子——脂质和蛋白质——催化这种外骨骼的生长。”

仿生学壳在生物分子周围形成的能力并不新鲜，但这一过程并不适用于脂类或脂质体，因为组成外壳材料的金属盐通过渗透作用将脂质体中的水分吸走，会导致脂质体爆炸。

Gassensmith说:“这项研究的关键之一是确定所有物质所在的缓冲溶液。”

建立一个缓冲区

三位研究生在这个项目上合作开发了一种独特的缓冲介质，使反应得以发生。

“缓冲介质保持溶液的离子强度，并保持pH稳定，所以当你加入大量的金属盐时，它不会渗透冲击系统，”Fabián Castro说，他是Gassensmith实验室的一名化学博士生，也是这项研究的第一作者。

Castro和合著者Sameera Abeyrathna和Nisansala Abeyrathna共同开发了这种缓冲剂配方。

一旦生物分子长出外壳，它们就会被锁定，脂质就会保持稳定。虽然外骨骼非常稳定，但它有一个偶然的致命弱点。

“外壳会溶解，如果它遇到一些吸引锌的东西，”Gassensmith说。“因此，为了释放和重组脂质体，我们使用了一种叫做EDTA(乙二胺四乙酸)的锌螯合因子，这是一种常用的、廉价的食品添加剂和用于治疗铅中毒的药物。”

除了实验室实验之外，在另一个概念验证练习中，Gassensmith通过美国邮政服务邮寄了一个稳定的脂质颗粒样本给他在罗德岛的母亲。她将这些样本运回了德克萨斯州，但由于2020年COVID-19大流行迫使德州大学达拉斯研究实验室关闭，这些样本在大约两个月的时间里都没有被接触，直到研究生们返回校园检查它们。虽然这个非正式的实验持续的时间比研究人员预期的要长得多，但这些样本存活了下来，并且功能“很好”。

“这个项目需要两种不同类型的专业知识——我的团队在膜运输蛋白方面的专业知识，以及Gassensmith博士在金属-有机框架方面的长期工作记录，”Meloni说。“我们的成功清楚地证明了这样的合作研究能够带来新颖和有用的结果。”

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