基于结构的建模方法：研究不同LNP制剂中环境依赖性质子化状态的变化，采用原子级别的CpHMD方法

《Molecular Pharmaceutics》：Structure-Based Modeling of Environment-Dependent Protonation States Across LNP Formulations with Atomistic CpHMD

离子izable脂质在脂质纳米颗粒（LNP）中的pKa值受化学环境影响显著，现有实验和计算模型难以捕捉其异质电荷分布。本研究提出结合Hamiltonian replica exchange（HREX）的连续恒定pH分子动力学模型（CpHMD），模拟5种LNP配方自组装过程，通过100离子izable脂质（50%摩尔比）、胆固醇（40%）、二棕榈酰磷脂酰胆碱（10%）和mRNA（20核苷酸）构建模型，验证pH依赖结构和显性pKa值（MAE=0.32，R2=0.52）。该模型可预测不同化学环境下的pKa值及LNP异质电荷分布，为制造和递送提供新工具。

　　

脂质纳米颗粒（LNP）配方中可电离脂质的pK_a值及其相关的质子化状态与其化学环境密切相关。这一现象导致结构-功能关系难以准确理解，进而影响载药物质的输送、组织选择性分布以及制造过程。例如，载有mRNA的LNP的电荷和生物分布会因所使用的可电离脂质类型、各组分之间的摩尔比以及负载物的不同而有所差异。然而，目前实验测量的质子化状态的空间分辨率仅限于LNP所有环境/构象下可电离脂质的平均电荷，这通常通过pK_a值来表示。这种测量方法无法捕捉LNP中可电离脂质的复杂电荷分布，而这些电荷分布又会影响生物层的形成及其与载药物质的相互作用。传统的、基于固定质子化状态的计算机模拟模型也存在类似局限性，因为它们无法反映依赖于环境的质子化状态，从而无法准确计算局部pK_a值。为填补实验和计算工具在这方面的空白，本研究引入了一种可扩展的连续恒定pH值分子动力学（CpHMD）模型，用于模拟五种不同LNP配方的自组装过程。可电离脂质的参数是通过使用哈密顿复制交换（HREX）方法对固定λ态计算结果进行拟合得到的，以优化参数化过程中的构象采样。模拟系统由100%的可电离脂质、40%的胆固醇、10%的二硬脂酰磷脂酰胆碱以及20个核苷酸的mRNA组成，用于模拟LNP的内部结构。自组装过程在不同的pH值下持续100纳秒，并与双层模型结合，以验证每个系统的pK_a值。在最精确的混合自组装/双层模型中，理论计算得到的pK_a值与实验结果吻合良好（平均绝对误差（MAE）为0.32 pK_a单位（R2 = 0.52），且所有系统均表现出pH值依赖性的结构变化。总体而言，这项研究提供了一种新的计算平台技术，可用于：(i) 预测不同化学环境中可电离脂质的pK_a值；(ii) 基于结构分析的方法来模拟LNP制造和输送过程中常见的可电离脂质的异质性、环境依赖性电荷分布。