mRNA新冠疫苗的高效冻干工艺及其分子机制研究.pdf

摘要

新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情中mRNA疫苗发挥了巨大优势，其中脂质

纳米颗粒（LNP）也是备受关注。然而，mRNA疫苗与绝大多数传统疫苗的储存条件

（2-8℃）不同，已上市mRNA疫苗长期稳定性差，需超低温保存（-20℃，甚至-70℃），

且有效期低于6个月，如何提高稳定性成为该疫苗推广的技术瓶颈。研究表明，真空

冷冻干燥技术可以显著提高mRNA脂质纳米颗粒（mRNA-LNP）的稳定性，并使其

能够实现在2-8℃下长期储存。但是目前关于mRNA-LNP冻干过程的研究较少，以往

大多数的研究仅使用单一冻干保护剂进行经验性冻干，导致冻干效率低，所需时间长

达40-100h，成本较高且不易推广。

针对上述问题，本研究通过微流控技术制备了mRNA-LNP，设计并优化了适用

于mRNA-LNP的高效冻干曲线，通过响应面法优化了冻干保护剂以及添加量，并使

用分子动力学模拟来比较磷脂膜与水性和无水环境中冻干保护剂的分子间作用机制。

本研究将冻干过程的总长度缩短至8h，大大降低了能源消耗和生产成本，提高

了冻干效率。将由8.8%的蔗糖，7.98%的海藻糖和0.2%的甘露醇组成的混合冻干保护

剂添加到mRNA-LNP中时，系统的共晶点和塌陷温度有所增加，使得冻干产品具有

姜根状刚性结构，孔隙率变大并且耐受快速升温变化，从而能够有效去除水分，得到

干燥且稳定储存的mRNA-LNP。此外，冻干的mRNA-LNP具有迅速复水、良好的粒

径分布、包封率和mRNA完整性等优势，可在2-8℃稳定保存，并且体内和体外实验

结果显示出冻干产品的免疫原性均未下降。其次，分子动力学模拟也与实验结果保持

了高度一致。这种有效的冻干技术显著提高了mRNA-LNP的稳定可及性。

综上所述，本课题利用真空冷冻干燥技术去除了mRNA-LNP内的水分含量，可

以有效抑制核酸酶催化的核酸水解反应，显著提高mRNA-LNP的长期稳定性，延长

疫苗有效期，显著降低储存和运输的成本和效率，为mRNA疫苗的储存、运输、提

高稳定性提供新的策略。

关键词：mRNA；脂质纳米颗粒；真空冷冻干燥；分子动力学模拟；COVID-19；微

流控技术

ABSTRACT

AgreatadvantagehasbeenplayedbythemRNAvaccineinthenovelcoronavirus

pneumonia(COVID-19)outbreak,inwhichlipidnanoparticles(LNP)havealsoreceived

muchattention.However,unlikethestorageconditions(2-8°C)ofthevastmajorityof

traditionalvaccines,mRNAvaccinesthathavebeenmarketedhavepoorlong-termstability,

requirecryopreservation(-20°C，even-70°C),andhaveaneffectivedurationoflessthan6

months，.andhowtoimprovestabilityhasbecomeatechnicalbottleneckforthepromotion

ofthisvaccine.Ithasbeenshownthatvacuumfreeze-dryingtechniquecansignificantly

improvethestabilityofmRNAlipidnanoparticles(mRNA-LNP)andenabletheir

long-termstorageat2-8°C.ButtherearefewstudiesaboutmRNA-LNPlyophilization

processatpresent，an