【应用】冻干不只是速溶咖啡——核酸药物的“干燥生存指南”：冻干保护剂篇

2026-05-25 11:16:27, YYC 步琦实验室设备贸易（上海）有限公司

冻干不只是速溶咖啡

核酸药物的“干燥生存指南”

冻干保护剂篇

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简介

核酸疗法已继小分子药物和抗体之后，成为第三大主要药物类别。脂质纳米颗粒（LNPs）是核酸递送的主要平台。mRNA-LNPs 在 COVID-19 疫苗中取得了临床成功，但其必须在超低温条件下储存，这限制了全球范围内的运输和分发。干燥技术，尤其是冻干技术，为在较高温度下维持稳定性提供了解决方案。冻干，又称冷冻干燥，该技术最早于 20 世纪初开发，作为保存生物材料的一种方法[1]。在制药行业，冻干被广泛用于稳定疫苗，蛋白质、肽和抗生素，使其能够在室温条件下长期保存。

结果汇总

随着脂质纳米颗粒（LNP）的应用以及 RNA 技术的快速发展，以“Onpattro”为商品名上市的 siRNA-LNP 制剂帕替西兰（patisiran）于 2018 年获美国食品药品监督管理局（FDA）批准，成为首款 siRNA 药物[2]。近几十年来，mRNA 化学、纯化和递送技术的进步为新冠疫情期间 mRNA 疫苗的成功铺平了道路。2023 年诺贝尔生理学或医学奖授予了卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）和德鲁·韦斯曼（Drew Weissman），以表彰他们发现mRNA的核苷酸修饰，这一发现促成了有效mRNA疫苗的开发[3]。尽管前景广阔，但这些mRNA疫苗需要在超低温下储存；Spikevax（由Moderna开发）需在 −15 °C 至 −50 °C 的温度范围内储存，而Comirnaty（由 BioNTech 和辉瑞开发）则需在 −60 °C 至 −80 °C的范围内储存，以维持其效力和稳定性[4]。这些超低温要求对现有的储存设施、临床应用和运输提出了挑战，并增加了疫苗浪费的风险。相比之下， siRNA-LNP 制剂Onpat-tro 在 2–8 °C 下以液态形式保持稳定，保质期长达三年。

mRNA-LNP 含有多种脂质成分，这些成分会围绕 mRNA 自组装。mRNA 是一种单链 RNA，携带将在细胞质中翻译的蛋白质信息。新冠疫苗中使用的可电离脂质纳米颗粒包含可电离的阳离子脂质、辅助脂质、聚乙二醇（PEG）脂质以及胆固醇[5]。根据 Hassett 的研究，Moderna 制备的 mRNA-LNP 产生的颗粒大小在 75 至 200 纳米之间[6]。生物药物的冻干（包括 mRNA-LNP）涉及通过升华和解吸去除水分，主要通过三个过程进行，即冷冻、初级干燥和次级干燥[7]。由于蛋白质与 mRNA-LNP 在组成和结构上的固有差异，mRNA-LNP 所承受的冷冻和干燥应力与蛋白质制剂不同。冷冻引起的应力会影响生物药物的稳定性。相比之下，RNA 分子对低温的敏感性较低，因为 RNA 折叠所涉及的二级和三级结构是由氢键而非疏水作用维持的[8]。

典型的冻干 mRNA-LNP 制剂含有多种辅料，包括脂质、缓冲液和冻干保护剂。在所有这些辅料中，冻干保护剂对于在冻干过程中保持 LNP 的结构完整性和生物活性最为关键。通常添加冻干保护剂，旨在通过几种假定的机制，保护 LNP 免受冷冻和干燥应力的影响，并提高 LNP 在储存期间的稳定性。

通常采用三种假说来描述冻干保护剂的保护机制，即玻璃化、隔离和水置换。根据玻璃化假说，冻干保护剂在冻结和干燥过程中形成玻璃态基质，从而降低溶液和干燥制剂中纳米颗粒的移动性，进而防止其聚集。隔离假说认为，冻干保护剂的作用机制在于将未冻结相及干燥状态下的单个颗粒分离。在此情境下，冻干保护剂未必会发生玻璃化。水置换假说提出，在干燥过程结束时，冻干保护剂与纳米颗粒表面的极性基团之间会形成氢键。据此，冻干保护剂作为水的替代物，从而保持纳米颗粒的原始结构[9]。

在表1中总结的近期关于 mRNA-LNP 冻干的研究中，很明显，选择浓度最优的冻干保护剂是主要关注点。蔗糖、海藻糖和麦芽糖是 mRNA LNP 冻干过程中常用的冻干保护剂，有时也会将甘露醇作为辅助保护剂加入。冻干保护剂的总含量通常为 10–20%（w/v）。

表1：当前关于 mRNA-LNP 冻干研究的配方及稳定性结果汇总

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参考文献

Harris D, Shackell L (1911) 真空干燥对狂犬病毒的影响，并附新方法的说明。J Infect Dis 8(1):47–49
Setten RL, Rossi JJ, Han S-P (2019) 基于RNAi的治疗药物的现状与未来方向。Nat Rev Drug Discov 18(6):421–446
Callaway E, Naddaf M (2023) mRNA新冠疫苗先驱荣获诺贝尔医学奖。《自然》 622(7982):228–229
Crommelin DJA 等（2021）应对mRNA疫苗稳定性的严酷现实。《药学科学杂志》 110(3):997–1001
Schoenmaker L 等 (2021) mRNA-脂质纳米颗粒新冠疫苗：结构与稳定性。《国际药学杂志》 601:120586
Hassett KJ 等 (2021) 脂质纳米颗粒尺寸对mRNA疫苗免疫原性的影响。J Control Release 335:237–246
Pikal MJ (1994) 蛋白质的冻干：工艺、配方与稳定性 ACS Publications https://doi.org/10.1021/bk-1994-0567.ch008
Lusky OS、Meir M、Goldbourt A（2021）利用魔角旋转核磁共振表征MS2噬菌体完整 RNA中的氢键。《生物物理报告》 1(2):100027
Abdelwahed W 等（2006）纳米颗粒的冻干：制剂、工艺及储存注意事项。《药物递送评论》58(15):1688–1713
Ruppl A 等 (2025) 冻干mRNA-脂质纳米颗粒制剂的筛选《国际药学杂志》671:125272
Lu Y 等 (2025) 用于mRNA基肺部黏膜疫苗接种的冻干脂质纳米颗粒的设计、优化与评价。《今日材料：生物》 32:101813
Wang B 等（2025）具有长期稳定性并在小鼠中诱导强效免疫应答的冻干猴痘mRNA 脂质纳米颗粒疫苗。《人类疫苗》《免疫治疗》21(1):2477384
Alejo T 等（2024）冻干工艺的全面优化，以提升冻干 mRNA-LNP的长期稳定性和体内性能。《国际分子科学杂志》25(19):10603
Fan Y 等（2024）基于冻干保护剂和缓冲液筛选对冻干mRNA- LNP的理化及结构分析。《控制释放杂志》373:727–737
Wan J 等 (2024) 经冻干处理后具有长期淋巴结靶向递送稳定性的环状RNA疫苗可诱导强效且持久的免疫反应。Mbio 15(1):e01775-e1823
Ai L 等 (2023) 具有长期稳定性及针对SARS-CoV-2高抗原性的冻干mRNA-脂质纳米颗粒疫苗。《细胞发现》9(1):9
Muramatsu H 等（2022）冻干技术可为脂质纳米颗粒制剂的核苷酸修饰mRNA疫苗提供长期稳定性。《分子治疗》 30(5):1941–1951
Suzuki Y 等 (2022) 用于mRNA疫苗的脂质纳米颗粒设计与冻干制备及其在小鼠和非人灵长类动物中的强效免疫应答。 Mol Ther 30:226–240

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