DSC in der Entwicklung von Liposomen und Lipid-Nanopartikeln

DSC wird verwendet, um temperaturbedingte Ordnungs-Unordnungs-Übergänge zu überwachen, wie Proteinentfaltung, Gel- zu Flüssigkristall-Phasenübergänge in Lipiden oder strukturelle Übergänge in Nukleinsäuren. Es hat sich kürzlich als wichtige Technik für die Charakterisierung von Liposomen und LNPs basierten Arzneimittelträgern etabliert, die Bestandteile von Gentherapie-Medikamenten und Impfstoffen der dritten Generation sind.

Das DSC-Thermogramm liefert Informationen über die Stabilitätseffekte unterschiedlicher Lipidzusammensetzungen des Trägers sowie über seine Beladung – kleine Moleküle, Proteine oder Nukleinsäuren. Die Eigenschaften von lipidbasierten Vektoren werden durch ein komplexes Gleichgewicht der Wechselwirkung aller ihrer Komponenten bestimmt. Eine Veränderung des DSC-Profils kann eine Störung oder Stabilisierung der Vektorenstruktur aufdecken und als Indikator für die Qualität der Zubereitung verwendet werden. Eine Abweichung von Tm von seinem regulären Wert kann auf eine Kontamination der Probe oder eine unsachgemäße Zubereitung hinweisen, die zu einem heterogenen Gemisch von Liposomen mit unterschiedlicher Größe oder Zusammensetzung, wie einlagigen und mehrlagigen Vesikeln, führt. Beispielsweise haben DPPC-Liposomen mit Durchmessern kleiner als etwa 35 nm einen Hauptübergang Tm bei etwa 37°C; größere Vesikel ’schmelzen‘ bei etwa 41°C. Die Umwandlung von flüssigkristallinen Lipid-Doppelschichten in die Gelphase ist exotherm, was auf die Bildung von Van-der-Waals-Kontakten in der Gelphase zurückzuführen ist. Weniger solcher Kontakte (also höheres Enthalpieniveau) dürften in gekrümmten SUVs als in LUVs entstehen [1].

Bei mRNA-beladenen LNPs reflektiert das DSC-Thermogramm auch die strukturellen Wechselwirkungen zwischen der Nukleinsäure und den lipidischen Komponenten. Die überlagerten DSC-Thermogramme einer freien mRNA und derselben mRNA, die in zwei verschiedenen LNPs verkapselt ist, sind in Abb. 1 gezeigt. 

Der Peak für die freie mRNA zeigt die thermische Stabilität (Tm) der Nukleinsäure sowie ihre Enthalpie (kcal/mol – unter der Kurve). Die Enthalpie spiegelt die Menge und Energie der intramolekularen Bindungen wider, die die tertiäre Struktur der mRNA aufrechterhalten. Die bei den Hauptübergängen in mRNA-LNP1 und mRNA-LNP2 beobachteten Wärmeeinflüsse können nicht nur durch die Übergangswärme der freien mRNA erklärt werden. Die wesentliche positive Tm-Verschiebung, wenn die mRNA in einem LNP verkapselt ist, weist auf die Hinzufügung intermolekularer stabilisierender Wechselwirkungen zwischen dem mRNA-Molekül und den kationischen Lipiden hin. Die fast 10-fache Zunahme der Enthalpie zeigt an, dass diese Wechselwirkungen umfangreich sind [2].  

1. Chemistry and Physics of Lipids, 64 (1993) 129-142
2. Vaccines (Basel). 2022 Jan; 10(1): 49.