Từ kết quả của các công ty BioNTech, Pfizer và Moderna , vắc xin mRNA trở thành từ thông dụng năm 2021. Một trong những chìa khóa thành công này là phương tiện mà mRNA được vận chuyển đến các tế bào miễn dịch: lipid.

Các vật liệu dựa trên lipid như lipoplexes, các hạt nano trên cơ sở lipid (LNP) và liposome là công cụ cơ bản để phân phối thuốc và mRNA. Năm 2020, các nhà khoa học đã khẳng định một lần nữa, sử dụng liposome bao bọc các kháng thể chống SARS-CoV-2.

Đối với vắc-xin, hệ thống phân phối trên cơ sở lipid thường ít biểu hiện tác dụng phụ hơn ở bệnh nhân so với các vector virus truyền thống. Toàn bộ quá trình phân phối những phân tử mRNA, cũng như các loại thuốc khác - được gọi là quá trình chuyển nạp. Mặc dù các hệ thống phân phối trên cơ sở lipid tốt hơn các vector virus ở một số yếu tố, hiệu quả chuyển nạp của lipid thường thấp hơn.

Các nhà nghiên cứu đã thu hẹp sự lựa chọn lipid để tăng cường hiệu quả chuyển nạp, các công thức thường là hỗn hợp lipid cation có thể ion hóa, mang điện tích dương, do đó rất thích hợp để liên kết với mRNA tích điện âm - cholesterol, một lipid trợ giúp và một lipid polyetylen glycolated.

Nhưng các nhà khoa học không có sự hiểu biết về những quy trình hóa học chính xác diễn ra trong những giao diện lipid - mRNA này. Một nhóm các nhà nghiên cứu đã chuyển sang mô hình mô phỏng máy tính nhằm làm rõ hơn bản chất hóa học của quá trình chuyển nạp trên cơ sở lipid.

GS.TS Friederike Schmid và TS Giovanni Settanni thuộc Đại học Johannes-Gutenberg, Mainz, phối hợp với TS Wolfgang Brill và TS Heinrich Haas tại BioNTech  nghiên cứu có hệ thống những tương tác này như một hàm của pH để có thể hướng dẫn các nhà thực nghiệm lựa chọn lipid, tối ưu hóa quá trình truyền nạp của vắc xin mRNA. Với các liệu pháp điều trị khác trên cơ sở axit nucleic, đang có được sự quan tâm như liệu pháp gene và liệu pháp siRNA , hiểu các nguyên tắc cơ bản về hiệu quả chuyển nạp trong lĩnh vực này có ý nghĩa vô cùng quan trọng.

Schmid và các đồng nghiệp đã xem xét lipid 2 ‐ dioleyloxy‐ N, N ‐dimethyl ‐ 3 ‐ aminopropane hoặc DODMA, trong đó các thí nghiệm cho thấy, DODMA và mRNA tạo thành một cấu trúc trong đó một lớp kép lipid của DODMA được ngăn cách bởi một lớp mRNA, khoảng cách giữa các lớp dao động từ 6,5 đến 8 nanomet.

Chính xác cách RNA được bao bọc trong hệ thống, trên cơ sở DODMA này xác định cả mức độ bảo vệ chống lại sự suy thoái từ sinh vật chủ và cách RNA thoát ra khỏi endosome, cấu trúc giữa các tế bào mà tế bào “sắp xếp” vật chất xâm nhập vào sau khi có sự hợp nhất của hạt nano với màng nội tử.

Những mô hình máy tính mà các nhà khoa học sử dụng mô phỏng động lực học phân tử, một công cụ mạnh mẽ được sử dụng để giúp thiết kế thuốc và đã làm sáng tỏ cấu trúc SARS-CoV-2 ở cấp độ phân tử.

 Sơ đồ mô phỏng giao diện Lipid - mRNA được thể hiện dưới dạng que cam thảo màu vàng

Nhóm nghiên cứu phát hiện được, ở độ pH thấp có nhiều lực hấp dẫn hơn giữa DODMA và mRNA, ở độ pH từ trung bình đến cao, các lực hấp dẫn trở thành lực đẩy. Sự thay đổi này trong điều kiện pH và tương tác tĩnh điện giữa lipid và RNA ảnh hưởng đến vị trí RNA, được xác định trong cấu trúc lớp kép.

Ở độ pH thấp, RNA có xu hướng kết tụ xung quanh các nhóm đầu của lipid, ở độ pH cao hơn, RNA phân bố đều hơn trong cấu trúc phiến, có tính ưa nước. Hơn nữa, lực hấp dẫn ở pH thấp kéo giãn các phân tử RNA, ở pH cao hơn, polymer sinh học này ít bị kéo căng và có giới hạn.

Hiểu biết chính xác về sự sắp xếp lại phân tử phụ thuộc vào độ pH trong các mô hình của hệ thống phân phối mRNA dựa trên lipid có thể ion hóa giúp các nhà nghiên cứu thuốc điều chỉnh nhưng hệ thống phân phối mRNA trên cơ sở lipid trong tương lai, tinh chỉnh lipid được sử dụng về hóa học nhằm tăng cường khả năng lưu thông mRNA, hấp thu của tế bào và xử lý nội mạc.