LNP 从零开始 · 第 4 篇
一颗 LNP 注入体内后，先被血浆蛋白包裹，再被细胞吞进内体；被吞进去的 mRNA 只有百分之几能从酸性的内体里逃出来。逃出来的 mRNA 进入细胞质，由核糖体翻译成蛋白质。最后，脂质和 mRNA 都会被降解清除，不留痕迹。整个过程从几小时到几天不等，每一步都有可能失败。
假设你刚给一位受试者打了一针 mRNA 疫苗。注射器推下去的那一刻，大约有 1012–1013 颗 LNP 进入了三角肌的组织间隙。接下来会发生什么？
整个过程可以拆成六个阶段：注射和体内分布 → 蛋白冠（protein corona）形成 → 细胞摄取 → 内体逃逸 → mRNA 翻译 → 降解与清除。每个阶段都涉及主动的生物学机制，每一步筛掉一大批 LNP，最终真正完成任务的只是极少数。
LNP 体内旅程概览：从细胞摄取（cellular entry）到内体逃逸（endosomal escape），再到核糖体翻译产出蛋白质，最终脂质在溶酶体中被降解为甘油和脂肪酸。内体逃逸时 pH 从 6 降至 4.5，可电离脂质质子化导致膜破裂，mRNA 释放。小粒径 LNP 主要由肝脏清除，较大颗粒则更多积聚在脾脏。
疫苗经肌肉注射（IM）后，大部分 LNP 留在注射部位附近，被局部的树突细胞和巨噬细胞吞噬。然后顺着淋巴管汇入引流淋巴结，在那里激活适应性免疫应答。少部分 LNP 会进入血液循环，但浓度远低于静脉注射的情况。
对于静脉注射（IV）的治疗性 LNP（比如 Patisiran，治疗 hATTR 淀粉样变性的 siRNA-LNP 药物；或者 Intellia 的 NTLA-2001，体内 CRISPR 基因编辑），LNP 直接进入血液循环，与血浆蛋白的接触是即时的、大规模的。这时候蛋白冠的组成直接决定了 LNP 最终会去到哪个器官。
LNP 接触血液或组织液的那一瞬间，表面就会被蛋白质覆盖。这个过程快到以秒计。血浆中每毫升含有 60–80 mg 蛋白质（白蛋白、补体蛋白、载脂蛋白、免疫球蛋白等等），这些蛋白会自发吸附到任何纳米颗粒的表面上。形成的这层蛋白质外壳叫做蛋白冠（protein corona）。
蛋白冠分为两层：紧贴颗粒表面、不容易解离的叫硬冠（hard corona），外层松散结合、动态交换的叫软冠（soft corona）。对 LNP 的体内行为影响最大的是硬冠，因为它决定了细胞识别到的是什么：细胞识别不到裸的 LNP，它识别的是蛋白冠上的蛋白质。
这里面最关键的一类是载脂蛋白 E（apolipoprotein E，ApoE）。ApoE 本身负责把胆固醇和脂肪酸运送到肝脏，是肝细胞表面 LDL 受体（LDLR）的天然配体。当 ApoE 吸附到 LNP 的蛋白冠上时，对肝细胞来说，LNP 就成了"一颗脂蛋白颗粒"：LDLR 识别 ApoE，介导内吞，LNP 被肝细胞高效摄取。
大多数 LNP 静脉注射后都会富集到肝脏。但有一个容易被忽略的细节："到了肝脏"不等于"到了肝细胞"。纳米颗粒进入肝脏后，首先遇到 Kupffer 细胞和肝窦内皮细胞（LSEC），它们是第一道"过滤器"。98% 的 Kupffer 细胞和 89% 的 LSEC 会吞噬纳米颗粒，而肝细胞（hepatocytes）的阳性率只有 7%。
颗粒还要穿过 LSEC 的窗孔（人体约 107 nm）进入 Disse 间隙才能接触肝细胞，这是又一层尺寸筛选。静脉给药后通常不到 5% 的总剂量到达目标细胞。LNP 的"肝靶向"远没有表面看起来那么高效，大量颗粒被免疫细胞截获。
对于需要肝细胞递送的适应症，ApoE-LDLR 通路是目前最成熟的方案。Patisiran 用它把 siRNA 送进肝细胞敲低 TTR（transthyretin，转甲状腺素蛋白）。Intellia 的 NTLA-2001 用它把 CRISPR 工具送进肝细胞编辑 TTR 基因。但对于想要靶向肺、脾脏或肿瘤的场景，LNP 在肝脏的富集就成了一个需要克服的障碍。
PEG 密度如何影响蛋白冠？
LNP 表面的 PEG-脂质形成一层亲水屏障，会减少蛋白质的吸附。PEG 密度越高，蛋白冠越薄，LNP 在血液中的循环时间越长，但也意味着 ApoE 吸附减少，肝脏靶向效率下降。这是一个经典的权衡：想要长循环就要多 PEG，想要肝脏高效摄取就要让 ApoE 上去。实际配方中，PEG-脂质的摩尔比通常控制在 1–2 mol%，在两者之间取折衷。
如果想让 LNP 去到肝脏以外的器官呢？一个很有影响力的策略是 SORT 技术（Selective Organ Targeting），由 Daniel Siegwart 实验室在 2020 年发表。原理并不复杂：在标准四组分 LNP 配方中额外加入一种带永久电荷的"第五脂质"。加入阴离子脂质（比如 18PA 或 DOPS），LNP 表面带负电，蛋白冠中 ApoE 的占比下降。取而代之的是大量血清白蛋白和补体蛋白，结果 LNP 被脾脏的巨噬细胞和树突细胞优先摄取。加入阳离子脂质（比如 DOTAP），蛋白冠富集不同的蛋白组合，LNP 被重新导向到肺内皮细胞。
蛋白冠的组成是 LNP 体内行为的"开关"。同一颗 LNP，换一套蛋白冠，就去不同的器官：靶向由蛋白冠与细胞表面受体的识别互作决定，受体并不直接识别 LNP 自身的化学成分。这给 LNP 设计多开了一条路：除了偶联靶向配体，也可以通过控制蛋白冠的组成来改变去向，下面的 SORT 就是一例。
LNP 到达靶细胞表面之后，经内吞（endocytosis）进入细胞，这是细胞获取外界物质的基本方式。细胞不会给大分子开一扇门，它用的是"吞进来"的策略：细胞膜向内凹陷，把颗粒包裹在一个膜囊泡里，然后把囊泡剪断、吞入细胞内部。
LNP 进入细胞主要通过三条路径，取决于 LNP 的大小、表面性质以及靶细胞类型。
大多数 LNP 通过 Clathrin 介导的内吞作用进入细胞。Clathrin（网格蛋白）是一种三脚架形状的蛋白质，叫做 triskelion（三腿体）。想象用三角形积木从细胞膜内侧搭建一个球形笼子：triskelion 一个接一个聚合到膜的胞质面，形成多面体网格，把那一块膜向内拉成一个凹坑。
Clathrin 介导的内吞过程：LNP-mRNA 与细胞表面受体结合 → clathrin triskelion 在膜内侧组装形成网格包被凹坑 → dynamin 在凹坑颈部收缩切割。随后包被囊泡出芽进入细胞内 → clathrin 外壳脱落，裸露的囊泡与早期内体融合。
完整的过程分五步走：
CME 最适合的 LNP 粒径是 120–200 nm，和大多数 mRNA-LNP 的粒径（60–150 nm）有重叠。实验证据也支持这一点：氯丙嗪（chlorpromazine）是一种经典的 CME 抑制剂，它能大幅阻断肝细胞对 LNP 的摄取，说明 CME 确实是肝脏靶向 LNP 的主要入胞途径。
Caveolae（小凹，拉丁语意为"小洞穴"）是细胞膜上的一种小型烧瓶状内陷结构，直径约 50–80 nm，比 clathrin 包被凹坑小得多。Caveolae 的结构由一种叫做 caveolin-1 的蛋白质（以及 cavin 蛋白家族）支撑，膜上还富集了大量胆固醇和鞘磷脂，所以 caveolae 其实是一种特化的脂筏（lipid raft）结构。
CvME 不是所有细胞都有的，主要存在于内皮细胞、脂肪细胞和平滑肌细胞中。粒径较小的 LNP（<60 nm）更倾向于通过 CvME 进入细胞。与 CME 相比，CvME 有一个潜在的优势。通过 caveolae 进入的囊泡往往会绕过经典的早期内体→晚期内体→溶酶体的降解路径，被直接运送到内质网或其他非酸性的细胞器。这意味着 mRNA 被溶酶体降解的风险更低，但这条通路的通量也更小，不是 LNP 进入细胞的主力。
巨胞饮是一种非特异性的"大口吃"方式。细胞表面的肌动蛋白（actin）网络驱动膜产生褶皱状突起（membrane ruffles）。这些突起向外延伸然后折回来，把周围的液体和其中的颗粒一起兜进一个大囊泡里。巨胞饮产生的囊泡很大（直径 0.2–5 μm），远大于 clathrin 或 caveolae 介导的囊泡。
巨胞饮在免疫细胞（巨噬细胞、树突细胞）和肿瘤细胞中特别活跃。Pardi 等人的研究表明，树突细胞主要通过巨胞饮来摄取 mRNA 疫苗的 LNP。这和树突细胞的生物学功能一致：树突细胞天然就在组织中大量采样周围环境，把抗原吞进来处理和呈递。巨胞饮对 LNP 的粒径没有严格限制，即使 >300 nm 的大颗粒也能被摄取。
摄取路径 / 适合的 LNP 粒径 / 主要细胞类型 / 特点
CME:适合的 LNP 粒径 120–200 nm;主要细胞类型 肝细胞、上皮细胞;特点 受体介导、高效率、主路径
CvME:适合的 LNP 粒径 <60 nm;主要细胞类型 内皮细胞、脂肪细胞;特点 可绕过溶酶体降解
巨胞饮:适合的 LNP 粒径 不限（可达 >300 nm）;主要细胞类型 巨噬细胞、树突细胞、肿瘤细胞;特点 非特异性、大通量
同一颗 LNP 在不同细胞类型里走的通路可能完全不同。粒径和表面电荷起了关键作用，但走哪条路最终由靶细胞一方决定：膜上有哪些受体、用哪种内吞机制。
LNP 被内吞进来后，装进一个膜包裹的酸性囊泡，叫内体（endosome）。这是 LNP 旅程中最大的瓶颈：被内吞的 LNP 中，最终只有大约 1–2% 的 mRNA 能成功逃出内体进入细胞质（Sahay 等人 2013 年、Wittrup 等人 2015 年的研究）。剩下 98–99% 的 mRNA 被送进溶酶体降解。
要理解内体逃逸，先得搞清楚内体的成熟过程。内体是一个持续酸化的动态系统：
所以整个逃逸过程有一个窗口期：mRNA 必须在内体成熟为溶酶体之前逃出来。
这也是可电离脂质被设计出来的核心原因。前面的文章介绍过，可电离脂质在生理 pH（7.4）下呈电中性，到了酸性环境（pH < pKa）就会质子化带正电。当内体 pH 降到 6 以下，LNP 中的可电离脂质大量质子化，与内体膜上本来就存在的阴离子脂质形成离子对。
内体膜上的阴离子脂质主要是 BMP（bis(monoacylglycero)phosphate，双单酰甘油磷酸酯，又叫 LBPA）和磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine）。BMP 是晚期内体的标志性脂质，几乎只存在于晚期内体和溶酶体的腔内膜上。质子化的可电离脂质与这些阴离子脂质形成离子对后，会组织成 HII 相（inverted hexagonal phase，反向六方相）的非双层结构。脂质从平面双层变成管状排列，这种相变剧烈扰乱内体膜完整性，产生孔洞或局部破裂。mRNA 从缺口释放到细胞质。
你可能在文献中见过质子海绵效应（proton sponge effect）这个概念。它最初是用来解释 PEI（聚乙烯亚胺）这类聚合物载体的逃逸机制的：PEI 每隔一个碳就有一个氮原子，有大量可以接受质子的碱性基团。PEI 进入内体后像海绵一样不断缓冲质子：V-ATPase 泵进来的 H+ 被 PEI 结合掉，pH 降不下来，V-ATPase 持续加大输出。大量 H+ 进入 → 氯离子（Cl-）为平衡电荷也跟着涌入 → 水分子因渗透压梯度跟进来 → 内体膨胀到破裂。
这个机制对 PEI 载体来说是主要驱动力，但对 LNP 来说贡献有限。原因很简单：LNP 中可电离脂质的缓冲能力远不如 PEI 那么强。PEI 每个单体都有一个氮，而 LNP 的可电离脂质只有一个胺基头基。缓冲容量不够，就不足以触发大幅的渗透膨胀。LNP 的内体逃逸，主要还是靠上面说的 pH 依赖的膜融合机制。
还有第三种机制：某些脂质分子可以直接插入内体膜中，在插入位点造成局部的膜曲率变化和脂质排列紊乱，形成微小的孔洞。这更像是一种辅助机制，单独靠它不太可能实现高效逃逸，但它和 HII 相变协同起来，可以增加膜破裂的概率。
既然只有 1–2% 的 LNP 能逃出内体，那哪些设计参数可以改善这个数字？
肝细胞在内体逃逸方面有天然的优势：它们拥有高效的内体成熟和酸化机制，V-ATPase 活性强，内体 pH 下降快，给可电离脂质质子化的条件更好。这也是 LNP 递送到肝脏通常效果最好的另一个原因（除了 ApoE 靶向之外）。
逃出内体的 mRNA 终于进入细胞质。这里布满了核糖体，而核糖体正是翻译 mRNA 的分子机器。
翻译起始的第一步是 5' cap 的识别。mRNA 的 5' 端带有 m7GpppN 帽子结构，被 eIF4E（eukaryotic initiation factor 4E，真核翻译起始因子 4E）特异性识别。eIF4E 找到 5' 端后，招募 eIF4G（大型脚手架蛋白）和 eIF4A（RNA 解旋酶，负责解开 5' UTR 二级结构），三者组成 eIF4F 复合物。43S 前起始复合物（含 40S 核糖体小亚基和 Met-tRNAi）被招募到 mRNA 上，沿 5' UTR 向下游扫描，直到找到第一个 AUG 起始密码子，翻译正式开始。
mRNA 的 3' 端同样参与翻译调控。poly(A) 尾巴被 PABP（poly(A)-binding protein，多聚腺苷酸结合蛋白）结合，PABP 再和 5' 端的 eIF4G 互作，mRNA 首尾相连形成环状结构。环化有两个好处。一是保护 mRNA 两端不被核酸外切酶攻击；二是翻译完一轮的核糖体可以重新循环到 5' 端启动下一轮翻译（核糖体再循环），大幅提高蛋白质的产出效率。
翻译效率还受到其他因素影响：
蛋白质表达的时间曲线是可预测的：通常在转染后 4–6 小时达到峰值，然后随着 mRNA 被降解而逐渐下降。经过 m1Ψ 修饰的 mRNA，表达持续时间取决于给药途径：肌内注射后，注射部位的表达最长约 10 天；经血流到达肝脏的部分约 1–4 天。这足够产生治疗量的蛋白质，但又不会永久存在。
对疫苗来说，蛋白质表达的暂时性恰好是一个优势。你希望抗原被短暂表达出来，刺激免疫系统产生记忆 T 细胞和记忆 B 细胞，然后自然消退，而不是永久性地在体内生产一种外源蛋白。免疫系统只需要短暂接触抗原就能形成记忆，不需要持续暴露。
如果需要更持久的表达，saRNA（self-amplifying RNA，自扩增 RNA）是一个方向。它编码了甲病毒的 RNA 依赖性 RNA 聚合酶（RdRp），进入细胞后可以自我复制：一条 saRNA 生成大量拷贝，持续驱动蛋白翻译。Blakney 等人的研究显示，saRNA 理论上只需常规 mRNA 剂量的 1/100 就能达到类似表达水平。代价是分子更长（约 9–12 kb vs. 常规 mRNA 的 1–5 kb），包装进 LNP 更难，免疫原性也更强。
LNP 递送的 mRNA 和脂质，最终都会被身体清除干净。这种"用完即弃"的特性，恰恰是 mRNA 药物相比于 DNA 基因治疗的一大安全优势。
完成翻译后，mRNA 会被核酸酶降解。这个过程有两条主要途径，从 5' 端和 3' 端两个方向同时切：
使用 m1Ψ 修饰的 mRNA 降解更慢：修饰后的核苷不容易被核酸酶识别，半衰期延长到数天而不是数小时。但最终，所有的 mRNA 都会被降解成单核苷酸，被细胞回收利用或排出。
那些没有成功逃逸内体的 LNP（也就是绝大多数），会顺着内体→溶酶体的路径被送进溶酶体。溶酶体中的酯酶和脂酶把脂质水解成甘油和脂肪酸，这些都是人体正常代谢产物，会被进一步代谢或回收进入细胞膜的脂质更新。
这也是为什么现在的 LNP 配方越来越多地使用可生物降解的可电离脂质（biodegradable ionizable lipids）。比如 Moderna 的 SM-102 和辉瑞/BioNTech 的 ALC-0315 的尾链上都含有酯键：酯键可以被酯酶高效切割，加速脂质在体内的清除，减少组织蓄积。早期的可电离脂质（比如 DLin-MC3-DMA）因为尾链全是碳碳键（没有酯键），在肝脏中的清除半衰期超过一周。
颗粒被降解后，降解产物怎么排出体外？这取决于分子大小：
在 LNP 的四种脂质成分中，PEG 脂质的清除速度最慢。PEG 聚合物本身不容易被酶降解，高分子量的 PEG 在组织中的滞留时间可达数周。这对单次给药（比如疫苗接种）不太成问题。但对需要反复给药的慢性病治疗，PEG 蓄积引发的免疫反应是一个实际的顾虑。部分患者在反复接触 PEG 后会产生抗 PEG 抗体，可能导致后续给药时 LNP 被加速清除（accelerated blood clearance，ABC 现象），降低疗效。
没有基因组整合风险
mRNA 不会进入细胞核，也不会整合到基因组中。mRNA 在细胞质中被核糖体翻译，翻译完就被降解，整个过程都不涉及细胞核和 DNA。这和逆转录病毒载体（需要把遗传物质整合到宿主基因组中才能工作）有本质区别。人体细胞自身也有逆转录酶（如 LINE-1 编码的 ORF2p），但目前没有证据显示 LNP-mRNA 药物会因此整合进基因组。
本文内容整理自：Raj Kumar (Ed.), Lipid Nanoparticle-based mRNA Delivery Systems, Academic Press (Elsevier), 2026, Chapter 3 (Shrirang Gharat, Sarita Manke, Arun Torris)。肝脏细胞级分布数据补充自 Saber N, Estape Senti M, Schiffelers RM, Hum Gene Ther 2024;35:637-654。