Molecular Dynamics of Intracellular Transport of Lipid Nanoparticles: Molecular mechanism of endosomal escape of nucleic acids

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脂質ナノ粒子(LNP)はカチオン性脂質を含む複数の脂質分子とコレステロールが核酸分子と作るコンプレックス構造を持つナノ粒子であり、核酸デリバリーのキャリアとして使用されている。カチオン性脂質はpKa~6.4程度に設計され、LNPがエンドサイトーシスによって取り込まれた後、エンドソーム内のpH低下に伴いそのイオン化状態を変える。これによりエンドソーム膜とLNPの相互作用が変化して、核酸分子をエンドソーム外、すなわち細胞質に放出する過程をエンドソーム脱出とよび、この分子機構を分子シミュレーションによって調べる。これまでに1,2-dilinoleyloxy-3-dimethylaminopropane (MC3)をpH応答性脂質として採用したLNPを構築し分子動力学(MD)計算を行い、その基本構造を解析した。LNPの最外膜は二重層膜構造を持つが完全に閉じた膜ではなく、LNPは球対称構造を持たず異方性を示した。エンドソーム膜をモデリングし、LNPとエンドソーム膜の間の膜融合過程を調べた。pH~5の条件でカチオン性脂質とエンドソーム内のアニオン性脂質が相互作用し、LNPとエンドソーム膜に引力が働くことを確認した。融合中間体であるストーク構造の自発形成には長時間が必要なため、接触面の脱水和を人工的に誘起させてストーク構造を生成し、その後の構造緩和を観測した。12マイクロ秒経過後、融合ポア形成が起こり、LNP内部と細胞質側の水溶液部分がつながった。これによりLNP内部のpHが細胞質と同じ中性となり、pH応答性脂質のイオン化状態を考慮すると、融合プロセスが大きく加速され一気に内包の核酸が細胞質側に放出されることがわかった。一方、このプロセスで細胞質側に放出されない核酸も存在し、また、LNPの最初のエンドソーム膜との接触面に依存して融合ポア生成が起こるレートが大きく異なることも分かってきた。