Ionizable Amino Lipids Distribution and Effects on DSPC/Cholesterol Membranes: Implications for Lipid Nanoparticle Structure

化学 胆固醇 脂质双层 纳米颗粒 生物化学 纳米技术 材料科学
作者
Sepehr Dehghani‐Ghahnaviyeh,Michael Smith,Yan Xia,Athanasios Dousis,Alan Grossfield,Sreyoshi Sur
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:127 (31): 6928-6939 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.3c01296
摘要

Lipid nanoparticles (LNPs) containing ionizable aminolipids are among the leading platforms for the successful delivery of nucleic-acid-based therapeutics, including messenger RNA (mRNA). The two recently FDA-approved COVID-19 vaccines developed by Moderna and Pfizer/BioNTech belong to this category. Ionizable aminolipids, cholesterol, and DSPC lipids are among the key components of such formulations, crucially modulating physicochemical properties of these formulations and, consequently, the potency of these therapeutics. Despite the importance of these components, the distribution of these molecules in LNPs containing mRNA is not clear. In this study, we used all-atom molecular dynamics (MD) simulations to investigate the distribution and effects of the Lipid-5 (apparent pKa of the lipid nanoparticle = 6.56), a rationally designed and previously reported ionizable aminolipid by Moderna, on lipid bilayers [Mol. Ther. 2018, 26, 1509–1519]. The simulations were conducted with half of the aminolipids charged and half neutral approximately to the expected ionization in the microenvironment of the LNP surface. In all five simulated systems in this work, the cholesterol content was kept constant, whereas the DSPC and Lipid-5 concentrations were changed systematically. We found that at higher concentrations of the ionizable aminolipids, the neutral aminolipids form a disordered aggregate in the membrane interior that preferentially includes cholesterol. The rules underlying the lipid redistribution could be used to rationally choose lipids to optimize the LNP function.
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