Nach dem Erfolg der mRNA-Impfstoffe gegen COVID-19 stand wohl kaum ein Thema in der biomedizinischen Forschung so stark im Fokus wie Nukleinsäure-Therapien. Das therapeutische Potenzial dieser Biomoleküle reicht weit über präventive Impfstoffe hinaus: Nukleinsäure-basierte Wirkstoffe versprechen neue Behandlungsmöglichkeiten für eine Vielzahl von Erkrankungen, darunter Infektions- und Erbkrankheiten sowie Krebs [1]. Doch der Erfolg solcher innovativen Therapien hängt entscheidend davon ab, ob und wie der Wirkstoff seinen Zielort im Körper erreicht – Stichwort: Delivery. Denn selbst der vielversprechendste Wirkstoff kann seine Wirkung nur entfalten, wenn er dort ankommt, wo er gebraucht wird. Besonders RNA stellt dabei eine Herausforderung dar: Sie ist äußerst instabil, wird von körpereigenen Enzymen schnell abgebaut und kann die Zellmembran nicht ohne Weiteres überwinden [2]. Die richtige Verpackung ist daher entscheidend. Und manchmal darf die ruhig ein bisschen fett sein: Bei den mRNA-basierten COVID-19-Impfstoffen gelang der Durchbruch mithilfe sogenannter Lipid-Nanopartikel (LNPs).
Wer dabei nun an einfache kleine Fettkügelchen denkt, täuscht sich gewaltig. Bei LNPs handelt es sich vielmehr um komplexe Strukturen, die aus mehreren Komponenten zusammengesetzt sind. Die genaue Zusammensetzung der verschiedenen Lipide ist dabei entscheidend, denn sie beeinflusst unter anderem Stabilität und Pharmakokinetik [3]. Gemeinsam bilden die Lipide eine schützende Hülle um die empfindlichen mRNA-Moleküle und ermöglichen deren effizienten Transport in die Zellen [2]. Unser Partner Cayman Chemical bietet dafür eine umfassende Auswahl an Lipiden für die individuelle LNP-Formulierung. So können Sie die Zusammensetzung Ihrer LNPs gezielt an die jeweilige Anwendung und das zu transportierende Biomolekül anpassen.
1) mRNA-Impfstoffe in Hülle und Fülle: Komplexe Verpackungen für sensible Moleküle
2) Ionisierbare kationische Lipide
5) Neutrale und anionische Phospholipide
Im Gegensatz zu anderen Lipid-basierten Drug-Delivery-Systemen (LBDD) sind LNPs komplexe Strukturen mit einer typischen Partikelgröße von etwa 50 bis 150 nm. Ihre Lipidkomponenten bilden eine schützende Umgebung für empfindliche Nukleinsäuren wie mRNA, siRNA oder Plasmid-DNA (pDNA) und ermöglichen deren effizienten Transport in Zellen [4]. LNPs bestehen in der Regel aus ionisierbaren Lipiden und verschiedenen Hilfslipiden (Abb. 1). Zu Letzteren zählen unter anderem Glycerophospholipide, Sterole und PEGylierte Lipide. Jede dieser Komponenten erfüllt eine spezifische Funktion und trägt dazu bei, die Stabilität, Struktur und Eigenschaften der LNPs zu beeinflussen [5]. Durch die gezielte Auswahl und Kombination unterschiedlicher Lipide lassen sich LNPs an die jeweilige Anwendung und die zu transportierende Nukleinsäure anpassen.
Neben der Zusammensetzung der Lipide spielen weitere Faktoren eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften und Leistungsfähigkeit der LNPs. Dazu gehören unter anderem das molare Verhältnis der einzelnen Lipide zueinander, das Gewichtsverhältnis von Lipiden zu Nukleinsäuren, das molare Stickstoff-zu-Phosphat-Verhältnis (N:P), die Säuredissoziationskonstante (pKa) des ionisierbaren Lipids, die Partikelgröße sowie der Verabreichungsweg, beispielsweise eine intravenöse oder intramuskuläre Injektion. Diese Parameter können maßgeblich die Verkapselungseffizienz, Wirksamkeit, Toxizität und Pharmakokinetik der LNPs beeinflussen [5; 6].
Ionisierbare kationische Lipide können dazu beitragen, die Zytotoxizität zu reduzieren, die mit dauerhaft positiv geladenen kationischen Lipiden verbunden sein kann. Sie besitzen funktionelle Gruppen, die abhängig vom pH-Wert protoniert werden und dadurch ihre Ladung verändern. Bei niedrigem pH-Wert (typischerweise <7) sind sie positiv geladen und können so mit den negativ geladenen Nukleinsäuren interagieren und deren Einkapselung in die LNPs ermöglichen. Bei physiologischem pH-Wert liegen ionisierbare Lipide dagegen überwiegend in einem (nahezu) neutralen Zustand vor. Dadurch können sie den Transport von Nukleinsäuren unterstützen und gleichzeitig die unspezifischen Wechselwirkungen mit Zellmembranen und anderen biologischen Strukturen reduzieren, die bei dauerhaft positiv geladenen Lipiden auftreten können [5; 6].
| Lipidname | Produktnummer | pKa-Wert des tertiären Amins |
| 1,2-Dioleoyl-3-dimethylammonium-propane (DODAP) | Cay25726 | 5,59 |
| 1,2-Dioleyloxy-3-dimethylamino-propane (DODMA) | Cay15109 | 6,59 |
| ALC-0315 | Cay34337 | 6,09 |
| DLin-MC3-DMA | Cay34364 | 6,44 |
| DLin-KC2-DMA | Cay34363 | 6,70 |
| SM-102 | Cay33474 | 6,68 |
Schon gewusst? SM-102-basierte LNPs eignen sich aufgrund ihrer insgesamt vorteilhaften Eigenschaften und ihrer konsistenten Performance als Referenz für die Entwicklung und Optimierung neuer LNP-Formulierungen. In diesem Technical Brief präsentiert Cayman Chemical Daten, die über einen Zeitraum von einem Jahr von mehreren Anwendern erhoben wurden. Dabei wurden unterschiedliche Cargos mit verschiedenen Chargen der jeweiligen Lipidkomponenten verkapselt, um die Performance der SM-102-basierten LNPs bei unterschiedlichen Bedingungen zu testen.
Sterollipide wie Cholesterin sind wichtige Bestandteile von LNPs. Sie beeinflussen die Packung und Fluidität der Lipidkomponenten und tragen dadurch maßgeblich zur Stabilität der Partikel bei. Darüber hinaus können sie die Interaktion der LNPs mit Zellmembranen beeinflussen und so die zelluläre Aufnahme sowie nachfolgende Prozesse wie den endosomalen Escape unterstützen. Einige Cholesterin-Derivate, beispielsweise 7α-Hydroxycholesterin, wurden zudem eingesetzt, um die Effizienz der Verabreichung von Nukleinsäure-Cargos zu verbessern [5; 6].
| Lipidname | Produktnummer | Verfügbare Größen |
| Cholesterol | Cay9003100 | 100 g, 250 g |
| 7α-hydroxy Cholesterol | Cay20098 | 1 mg, 5 mg, 10 mg, 25 mg |
Glycerophospholipide gehören zur Klasse der Phospholipide. Sie bestehen aus einer hydrophilen Kopfgruppe und zwei hydrophoben Fettsäureketten, die an ein Glycerol-Rückgrat gebunden sind. Die chemischen Eigenschaften der Kopfgruppe beeinflussen unter anderem die Oberflächeneigenschaften und Ladung der LNPs, die je nach Zusammensetzung neutral, anionisch (negativ) oder kationisch (positiv) sein können [5; 6].
Neutral geladene Phospholipide können die Membraneigenschaften und die Interaktion der LNPs mit Zellmembranen beeinflussen und dadurch die Effizienz der Membranfusion unterstützen. Zu den Phospholipiden mit insgesamt neutraler Ladung zählen beispielsweise Phosphatidylcholin (PC) und Phosphatidylethanolamin (PE) [5].
Anionische Lipide können in LNP-Formulierungen eingesetzt werden, um deren Oberflächeneigenschaften und Stabilität gezielt zu beeinflussen. In neutralen LNP-Systemen können sie dazu beitragen, die Aggregation der Partikel während der Lagerung zu reduzieren. Darüber hinaus verändern sie die Nettoladung der LNP-Oberfläche und können dadurch die Wechselwirkungen mit Zellmembranen und anderen biologischen Strukturen sowie das zelluläre Targeting beeinflussen. Phosphatidylglycerol (PG), Phosphatidylinositol (PI), Phosphatidylserin (PS) und Phosphatidsäure (PA) sind Beispiele für Phospholipide mit anionischen Kopfgruppen [5].
| Lipidname | Produktnummer | Verfügbare Größen |
| 1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-PE (1,2-DOPE) | Cay15091 | 100 mg, 250 mg, 500 mg |
| 1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-PC (1,2-DSCP) | Cay15100 | 250 mg, 500 mg, 1 g |
| 1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-PC (1,2-DOPC) | Cay15098 | 250 mg, 500 mg, 1 g, 5 g |
| 1-Palmitoyl-2-Oleoyl-sn-glycero-3-PC (1,2-POPC) | Cay15102 | 100 mg, 250 mg, 500 mg |
| 1-Palmitoyl-2-Oleoyl-sn-glycero-3-PG (sodium salt) (1,2-POPG) | Cay15105 | 25 mg, 50 mg, 100 mg, 250 mg |
| 1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-PS (sodium salt) (1,2-DOPS) | Cay29983 | 5 mg, 10 mg, 25 mg, 50 mg |
PEGylierte Lipide reduzieren die Adsorption von Serumproteinen an der Oberfläche der LNPs und können somit deren Aufnahme durch das mononukleäre Phagozytensystem (MPS) verringern – ein wichtiger Faktor bei der Verabreichung von LBDD-Systemen. Dadurch können sie die Stabilität und Zirkulationsdauer der LNPs im Körper beeinflussen. Einige PEGylierte Lipide verfügen zudem über terminale funktionelle Gruppen, beispielsweise Amino- oder Maleimidgruppen. Diese ermöglichen die Konjugation weiterer Moleküle, etwa Liganden oder Targeting-Moleküle, mit denen sich die Wechselwirkung der LNPs mit bestimmten Zellen gezielt beeinflussen lässt [5; 6].
| Lipidname | Produktnummer | Verfügbare Größen |
| DMG-PEG(2000) | Cay33945 | 500 mg, 1 g |
| ALC-0159 | Cay34336 | 25 mg, 50 mg, 100 mg, 500 mg |
LNPs sind also weit mehr als einfache „Fettkügelchen“: Erst das Zusammenspiel verschiedener Lipidkomponenten macht sie zu vielseitigen Transportvehikeln für empfindliche Nukleinsäuren. Doch wie werden diese komplexen Partikel eigentlich hergestellt – und welche Möglichkeiten gibt es, LNPs für die eigene Forschung zu nutzen? Darum geht es im demnächst erscheinenden zweiten Teil unserer LNP-Serie.
Neugierig geworden? Stöbern Sie durch das gesamte Portfolio von Cayman Chemical oder erfahren Sie mehr zum Thema LNPs in unserem Blog!
[1] Ogris, M., & Wagner, E. (2011). To be targeted: is the magic bullet concept a viable option for synthetic nucleic acid therapeutics?. Human gene therapy, 22(7), 799–807.
[2] https://www.merckgroup.com/de/research/science-space/envisioning-tomorrow/lipid-nanoparticles.html, 13.08.2026
[3] https://www.pharmazeutische-zeitung.de/sensible-molekuele-komplex-verpackt-123339/, 13.08.2026
[4] Mendes, B.B., Conniot, J., Avital, A. et al. Nanodelivery of nucleic acids. Nat Rev Methods Primers 2, 24 (2022).
[6] Hou, X., Zaks, T., Langer, R. et al. Lipid nanoparticles for mRNA delivery. Nat Rev Mater 6, 1078–1094 (2021).
Preview-Bild: https://www.caymanchem.com/lipid-nanoparticles