脂质纳米颗粒(LNP)已从一项前沿的纳米技术,发展为现代药物递送,特别是核酸药物递送的金标准平台。本文深入探讨了LNP系统的基本原理、核心组分(包括SM-102、ALC-0315、DSPC、DMG-PEG-2000等)的化学与功能,系统阐述了其递送机制、主动与被动靶向策略,并全面回顾了其在传染病疫苗、肿瘤免疫治疗、基因编辑与罕见病治疗等领域的应用场景与商业化产品。文章详细分析了LNP技术的优势与当前面临的挑战,如肝向性富集、体内外相关性差异及长期安全性问题。最后,基于最新研究,展望了该领域未来的发展趋势,包括新型可电离脂质开发、器官选择性靶向技术、计算科学与人工智能的融合驱动,以及生产模式的智能化革新。LNP正从一个高效的递送载体,演变为一个可编程、多功能、精准化的治疗平台,其未来发展将深刻塑造生物医药产业的格局。
在生物医药领域,高效的药物递送系统是连接革命性疗法与临床成功的关键桥梁。在众多非病毒递送载体中,脂质纳米颗粒(Lipid Nanoparticles, LNPs)凭借其卓越的核酸保护能力、良好的生物相容性和可规模化生产的特性脱颖而出,成为推动基因治疗和核酸医学从概念走向现实的核心引擎。这一地位的奠定,始于2018年首款siRNA药物Patisiran(基于DLin-MC3-DMA脂质)的获批,并在COVID-19大流行期间因成功递送mRNA疫苗(如基于ALC-0315的Comirnaty®和基于SM-102的Spikevax®)而达到空前的高度,向全球证明了其快速响应、高效安全和工业化生产的巨大潜力。
LNP的成功并非偶然,它是数十年脂质化学、纳米技术与生物学交叉研究的结晶。其核心魅力在于精巧而可调的“四组分”结构:可电离阳离子脂质、辅助磷脂、胆固醇和聚乙二醇(PEG)化脂质。这些组分共同协作,自组装成粒径约20-200纳米的球形颗粒,形成一个既能封装并保护脆弱核酸分子,又能高效介导其进入靶细胞并释放的智能化系统。DMG-PEG-2000、DSPE-PEG-2000、SM-102、ALC-0315、ALC-0159、DSPC等,正是构成这些明星LNP产品的关键化学实体。
然而,传统的LNP存在天然的“肝脏偏向性”,这限制了其在肝外疾病治疗中的应用。因此,开发具有组织或细胞特异性的靶向LNP(tLNP)是当前研究的前沿与焦点。与此同时,如何提升递送效率、克服免疫原性、确保长期安全性以及建立可靠的规模化生产工艺,是该技术面临的持续挑战。
本文旨在对LNP技术进行一次全景式、系统性的深入剖析。我们将从其化学组成与递送原理这一基础出发,逐步深入到靶向策略的工程化设计,梳理其在各疾病领域的应用现状与代表性产品,客观分析其优势与局限性,并最终描绘由计算科学、新型材料和人工智能驱动的未来发展趋势。
1、LNP的化学基础、结构与递送原理
LNP的卓越性能根植于其精密的化学设计和由此形成的动态纳米结构。理解其构成与工作原理,是驾驭和革新这一平台的前提。1.1 核心化学组分:一个精密协作的“分子团队”
一个典型的治疗性LNP配方通常由四种功能互补的脂质按特定摩尔比例混合而成。1.1.1 可电离阳离子脂质:LNP的“智能心脏”
这是LNP中最关键的功能成分,占比通常在30-50%。它在生理pH(如血液pH 7.4)下呈电中性,降低了与血液成分的非特异性相互作用及毒性;而在酸性环境(如内吞体pH 4.5-6.5)中,其胺基头基发生质子化而带正电。这种pH依赖的“智能”电离特性是其功能核心:
封装:在酸性制备环境下,质子化的脂质通过静电作用与带负电的核酸(如mRNA)结合,实现高效包封。
膜破坏与内体逃逸:进入细胞内的酸性内吞体后,质子化脂质与内吞体膜上带负电的磷脂相互作用,破坏膜稳定性,促进LNP内容物释放至胞浆。这一过程常被描述为“质子海绵效应”或膜融合。
代表性分子:
SM-102与ALC-0315:这两者都是已获批COVID-19 mRNA疫苗中的关键可电离脂质,被视为DLin-MC3-DMA的迭代产物。研究表明,尽管体外实验显示SM-102在部分细胞系中诱导更高的蛋白表达,但在小鼠体内,基于ALC-0315和SM-102的LNP均能实现显著且无统计学差异的高水平蛋白表达。它们的化学结构经过优化,旨在平衡转染效率与可耐受的安全性。
ALC-0159:常与ALC-0315配对的辅助脂质,虽非主要可电离成分,但在特定配方中起关键稳定作用。
历史性分子DLin-MC3-DMA:作为首款siRNA药物Patisiran的核心,它奠定了现代可电离脂质的设计基础。1.1.2 辅助磷脂:结构的“骨架”
占比约10-20%,主要作用是形成并稳定LNP的双层膜结构,调节膜的流动性和融合性。
代表性分子:1.1.3 胆固醇:膜特性的“调节剂”
占比高达20-50%,是哺乳动物细胞膜的天然组分。它嵌入磷脂双层中,通过填充磷脂分子间的空隙来调节膜的流动性、刚性和完整性。胆固醇能增强LNP在血液循环中的稳定性,并可能参与内体逃逸过程。1.1.4 PEG化脂质:LNP的“隐形外衣”
占比虽低(通常~1.5%),但至关重要。PEG(聚乙二醇)是一种亲水聚合物链,锚定在LNP表面。
代表性分子:
表1:LNP核心组分及其功能与代表性分子一览组分类别主要功能在配方中占比代表性分子关键特性与作用可电离阳离子脂质
核酸包封、介导内体逃逸
30-50%
SM-102, ALC-0315, DLin-MC3-DMA
pH敏感性、智能电荷反转、递送效率核心辅助磷脂
形成和稳定双层膜结构
10-20%
DSPC, DOPE
决定膜流动性、影响稳定性和融合性胆固醇
调节膜流动性、增强稳定性
20-50%
胆固醇及其衍生物
天然膜组分、填充脂质间隙、提高结构完整性PEG化脂质
提供空间稳定性、延长半衰期
~1.5%
DMG-PEG-2000, DSPE-PEG-2000
隐形涂层、防止聚集、调控粒径与体内分布1.2 LNP的结构与递送机制:一场精密的细胞级“特洛伊木马”行动1.2.1 纳米结构
LNP并非简单的均质球体。目前学术界对其精细内部结构仍有讨论,主要模型包括具有电子致密核心的“核-壳”结构、多层囊泡结构或不规则多相结构。共识是,核酸(如mRNA)被包裹在由可电离脂质主导的疏水/亲水界面区域,整个颗粒被一层主要由辅助磷脂、胆固醇和PEG化脂质构成的单层或双层膜所包被。1.2.2 递送的关键步骤
LNP的细胞内递送是一个多步骤的连续过程,每一步的效率都直接影响最终疗效。
系统循环与被动靶向:静脉注射后,PEG化外壳帮助LNP逃逸早期免疫清除,通过增强的渗透和滞留效应(EPR效应)在某些病理组织(如肿瘤)中实现初步富集。然而,传统LNP表面易于吸附载脂蛋白E(ApoE),后者作为“生物导向标签”,引导LNP被肝脏实质细胞表面的低密度脂蛋白受体(LDLR)识别和摄取,导致了强烈的肝向性分布。
细胞结合与内吞:LNP通过非特异性吸附或与特定表面受体相互作用,触发网格蛋白介导的内吞、小窝蛋白介导的内吞或巨胞饮等途径进入细胞,被包裹在内吞体中。
内体逃逸——递送的“生死门槛”:这是最关键的限速步骤。随着内吞体成熟并酸化(pH下降),可电离脂质质子化。这不仅中和了与核酸的静电结合,促进其释放,更重要的是,带正电的脂质与带负电的内体膜磷脂发生静电相互作用,破坏膜完整性。同时,某些辅助磷脂(如DOPE)促进膜从层状相向六角相转变,最终导致内体膜破裂或融合,将核酸有效释放到细胞质中。据估计,仅有1-2%的LNP能成功完成内体逃逸,这也是目前递送效率的主要瓶颈。
胞质释放与功能发挥:释放出的mRNA被核糖体捕获,翻译成目标蛋白;siRNA则整合入RNA诱导沉默复合体,介导基因沉默;CRISPR-Cas系统的mRNA和gRNA则组装成基因编辑工具,行使功能。2、LNP的靶向策略:从被动富集到主动导航
克服天然肝向性,实现肝外组织的精准递送,是拓展LNP治疗疆域的核心挑战。靶向策略从宏观的器官选择性,到微观的细胞特异性,形成了多层次的技术体系。
2.1 被动靶向与固有倾向性
EPR效应:在肿瘤等病变组织中,血管通透性增高且淋巴回流不畅,使得一定粒径(通常100-200 nm)的LNP能够渗透并滞留其中。
固有倾向性:调整LNP的粒径、表面电荷(Zeta电位)和PEG化程度,可以影响其与血浆蛋白(如ApoE)的相互作用模式,从而一定程度改变其在肝、脾、肺等器官的分布比例。例如,粒径较小、表面带轻微负电的颗粒可能更倾向于脾脏或骨髓靶向。2.2 主动靶向策略
这是当前研究最活跃的领域,旨在赋予LNP“主动寻的”能力。2.2.1 配体介导的靶向
通过在LNP表面共价或非共价偶联特异性配体,实现与靶细胞表面受体的高亲和力结合。
抗体及抗体片段:具有高特异性和亲和力。例如,将抗CD5抗体偶联到LNP上,可特异性地将基因编辑工具递送至T细胞。靶向转铁蛋白受体1(TfR1)的抗体-LNP复合物在临床前肌肉疾病模型中,使药物暴露量提高15倍以上,基因敲低效率超过75%。艾伯维(AbbVie)以21亿美元收购Capstan Therapeutics,正是看中其靶向CD8的抗体-LNP平台,用于开发体内CAR-T疗法(候选药物CPTX2309,已进入I期临床),无需体外工程化改造T细胞。
肽类:如RGD肽(精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸)能靶向整合素αvβ3,在肿瘤和血管内皮细胞中高表达。
小分子:如半乳糖、甘露糖、叶酸等,可分别靶向肝细胞去唾液酸糖蛋白受体、巨噬细胞甘露糖受体和肿瘤细胞高表达的叶酸受体。2.2.2 结构驱动的选择性器官靶向(SORT)
这是一项突破性技术。通过在经典的四组分LNP中添加第五种脂质成分(通常是带永久正电荷、负电荷或两性离子的脂质),即可在不依赖外源性配体的情况下,系统性地改变LNP的器官靶向性。例如,加入阳离子脂质可增强肺靶向,加入阴离子脂质可增强脾脏靶向。这种方法简化了靶向LNP的构建流程,具有巨大的应用潜力。2.2.3 条件性活化靶向
设计“隐形”的LNP,其在血液循环中保持惰性,仅在到达特定微环境(如肿瘤部位的酶、酸性pH或氧化还原环境)时,才暴露出靶向配体或发生膜结构变化,从而增强局部摄取,减少全身副作用。3、应用场景与商业化产品
LNP技术已成功渗透到多个治疗领域,催生了一系列获批药物和在研管线,验证了其广泛的应用价值。3.1 传染病疫苗
COVID-19 mRNA疫苗:这是LNP技术最成功的商业化案例。
呼吸道合胞病毒(RSV)疫苗:Moderna的mRESVIA®(mRNA-1345)已获批,成为首款基于mRNA-LNP的RSV疫苗。
其他传染病:针对流感、HIV、寨卡病毒等的mRNA-LNP疫苗均在积极研发中。3.2 肿瘤免疫治疗
个性化癌症疫苗:基于患者肿瘤突变新抗原的mRNA-LNP疫苗,可诱导特异性T细胞反应,处于临床研究阶段。
免疫调节因子递送:通过LNP递送编码细胞因子(如IL-12、IL-15超激动剂)或免疫检查点调节剂的mRNA,在肿瘤微环境中局部表达,激活抗肿瘤免疫。
体内CAR-T/T细胞重编程:通过靶向T细胞的抗体-LNP,直接将编码CAR或T细胞受体(TCR)的mRNA递送至体内T细胞,实现“一步法”体内生成CAR-T细胞,避免了复杂的体外操作。3.3 基因编辑
CRISPR-Cas系统递送:LNP是递送CRISPR-Cas9 mRNA和向导RNA(gRNA)的高效非病毒载体,用于体内基因敲除、敲入或修正。已有针对遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性(hATTR)、先天性黑蒙症等疾病的LNP-CRISPR疗法进入临床。3.4 蛋白质替代疗法与罕见病
Onpattro®(Patisiran):全球首款获批的RNAi疗法,使用DLin-MC3-DMA脂质递送siRNA,治疗hATTR淀粉样变性。
遗传性代谢病:针对肝脏酶缺陷的疾病(如甲基丙二酸血症),通过LNP递送功能性酶蛋白的mRNA,实现短期蛋白替代。3.5 其他领域
包括心血管疾病(递送血管内皮生长因子mRNA促进血管再生)、神经系统疾病(挑战在于跨越血脑屏障)、肺部疾病(通过吸入给药)和肌肉疾病(靶向肌肉细胞)等。
4、优势、挑战与局限性4.1 核心优势
高效的核酸递送与保护:对mRNA/siRNA有高包封率,有效抵抗核酸酶降解。
良好的生物相容性与安全性:相较于病毒载体,LNP组分明确、无基因组整合风险、免疫原性相对较低。获批产品的临床使用已验证其短期安全性良好。
模块化与可设计性:通过调整四种脂质的化学结构、比例和添加靶向元件,可以系统性地优化LNP的理化性质、体内分布和功能。
成熟的工业化生产能力:基于微流控等技术,已建立稳定、可放大的标准化生产工艺,支持全球范围的疫苗与药物供应。4.2 主要挑战与局限性
肝向性富集:这是限制LNP用于肝外疾病的首要障碍。开发有效的肝外靶向技术仍是行业焦点。
内体逃逸效率低下:大部分LNP被困于内吞-溶酶体途径被降解,有效递送比例低,是提升疗效的关键瓶颈。
潜在的免疫原性与毒性:
体内外相关性(IVIVC)弱:的研究明确指出,LNP的体外细胞实验数据(如转染效率)往往与体内疗效相关性不佳。在体外表现出色的SM-102-LNP,在体内与ALC-0315-LNP效果相当。这凸显了动物模型乃至早期临床研究对于LNP优化的不可或缺性,也增加了研发成本和不确定性。
长期安全性与稳定性数据尚需积累:作为一种相对较新的递送系统,其长期使用的安全性、以及药物产品的长期储存稳定性(特别是mRNA-LNP疫苗)仍需更多数据支持。
复杂的专利与供应链格局:核心脂质材料和LNP制剂技术被少数公司专利覆盖,关键可电离脂质的供应商集中,带来供应链风险。5、产业生态与关键参与者
LNP的蓬勃发展催生了一个庞大的产业生态,参与者各司其职。
核心技术/IP持有者:如Moderna、BioNTech(与辉瑞合作)、Acuitas Therapeutics(为辉瑞/BioNTech提供LNP技术许可)、Arbutus Biopharma、Genevant Sciences等,掌握着核心脂质结构和LNP配方的专利权。
合同研究、开发与生产组织:随着行业对一站式服务需求的增长,CDMO成为关键支柱。全球领先的CDMO包括Lonza(为Moderna生产疫苗)、Catalent、CordenPharma、Evonik、药明康德等,它们提供从早期配方开发到GMP规模化生产的全流程服务。
脂质原材料供应商:提供高质量GMP级别的脂质,如Merck、Avanti Polar Lipids、Nippon Fine Chemical、Croda(收购了提供SM-102的Provizer)等。
设备与技术服务商:提供微流控混合设备、分析仪器和专业技术服务,如Precision NanoSystems(已被赛默飞世尔收购)。
据市场研究,全球LNP服务市场规模预计将从2025年的约11亿美元增长至2034年的35亿美元,年复合增长率显著。另一份报告则指出,全球脂质纳米粒子解决方案市场规模在2024年约为97.7亿元人民币,预计到2031年将接近196.1亿元人民币。这都印证了该领域持续强劲的增长势头。
6、未来发展趋势
展望未来,LNP技术正朝着更精准、更智能、更高效、更安全的方向演进,呈现出以下关键趋势:6.1 新型脂质化学的创新浪潮
研发重点在于设计具有更高转染效率、更低毒性、且能固有导向特定器官的新一代可电离脂质。例如,引入可生物降解的酯键、环状胺头基或多尾疏水链等。报告预测,下一代可电离脂质有望将递送效率提升30-50%,同时降低毒性。6.2 超越肝脏:器官选择性递送的突破
以SORT技术为代表的策略将继续深化,实现对肺、脾、心脏、肌肉、大脑等器官的高效、可编程靶向。例如,通过LNP递送mRNA至肺部,治疗囊性纤维化或肺动脉高压;开发能够穿越血脑屏障的LNP,治疗阿尔茨海默病或胶质母细胞瘤。6.3 计算科学与人工智能的深度赋能
面对LNP近乎无限的设计空间,传统试错法效率低下。计算建模(如分子动力学模拟)和人工智能/机器学习正成为革命性工具。
AI驱动设计:利用机器学习算法分析庞大的LNP组成-性能数据库,预测具有理想特性的新脂质分子和最优配方,大幅加速研发进程。
多尺度模拟:从分子层面模拟脂质与核酸的相互作用、LNP的自组装过程、与细胞膜的融合机制,为理性设计提供理论指导。6.4 模块化与多功能“智能”LNP的兴起
未来的LNP将不仅仅是递送载体,更是集诊断、治疗、示踪于一体的“治疗学”平台。例如,开发可响应特定疾病微环境(如pH、酶、活性氧)而释放药物或切换功能的“智能”LNP;或将成像剂与治疗性核酸共包封,实现治疗可视化。6.5 给药途径的多元化与创新
除了静脉注射,肌肉注射、皮下注射、吸入给药、鼻内给药、局部给药等途径被积极探索,以适应不同疾病的治疗需求,并可能改善耐受性和患者依从性。6.6 生产工艺的智能化与规模化
行业正推动自动化、封闭式、连续化的GMP生产工艺,以提高产量(预测可提升40%)、确保批次间一致性、降低生产成本,满足全球日益增长的需求。6.7 监管科学的发展与协同
随着LNP产品管线激增,监管机构(如FDA、EMA)正在积累经验并趋向于建立更标准化的评价框架,以指导产品质量、安全性和有效性的评估,有望简化临床开发路径。
脂质纳米颗粒已经从实验室走向全球公共卫生和疾病治疗的中心舞台。其精巧的化学设计、对核酸革命性疗法的强大赋能能力,以及已验证的商业化成功,共同奠定了它作为现代药物递送基石的不可撼动地位。用户所关注的SM-102、ALC-0315、DSPC、DMG-PEG-2000等分子,正是这一伟大技术篇章中闪亮的“明星演员”。
然而,挑战与机遇并存。克服肝向性、实现精准靶向、提升递送效率、确保长期安全,是产业界和学术界共同攻坚的课题。我们正见证着一个范式转变:LNP从一种相对“被动”的通用载体,向高度“主动”和“可编程”的精准治疗平台演进。这场演进由新型脂质化学、靶向策略、计算科学和先进制造技术联合驱动。
可以预见,随着这些前沿趋势的汇聚与发展,LNP将持续拓宽其应用边界,从预防性疫苗到治愈性基因编辑,从常见病到罕见病,深刻改变人类对抗疾病的格局。它不仅是递送药物的工具,更是在未来可能成为构建个性化、精准化医学新时代的核心引擎之一。对LNP技术的持续深耕与创新,无疑将在未来数十年内持续为全球健康事业带来突破性进展。
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分 类
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mPEG
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mPEG-OH
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多臂PEG
原料
4arm-PEG-OH
10K,20K,40K
8arm-PEG(TP)-OH
10K,15K;20K,40K
8arm-PEG(HG)-OH
10K,15K;20K,40K
两臂PEG
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单官能团
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双官能团
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5K,10K,20K
四臂PEG
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4arm-PEG-SH
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4arm-PEG-SCM
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10K,20K
4arm-PEG-SHA
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4arm-PEG-SCM
10K,20K
4arm-PEG-CHA-NCO
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4arm-(3NH2+1AA)-PEG
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4arm-PEG-SSA
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八臂PEG
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8-arm-PEG(TP)-SH
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8arm-PEG(TP)-pALD
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8arm-PEG(TP)-MAL
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8arm-PEG(HG)-SG
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8arm-PEG(HG)-SS
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8arm-PEG(HG)-SH
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8arm-PEG(HG)-MAL
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8arm-PEG(TP)-SC
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8arm-PEG(TP)-GA
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8arm-PEG(TP)-GAA
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8arm-PEG(TP)-SAA
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8arm-PEG(TP)-SA
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8arm-PEG(TP)-CM
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8arm-PEG(TP)-SCM
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8arm-PEG(HG)-SGA
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8arm-PEG(HG)-SCM
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8arm-PEG(HG)-SC
10k,15k;20k;40k
8arm-PEG(HG)-pALD
10k,15k;20k;40k
8arm-PEG(HG)-GA
10k,15k;20k;40k
8arm-PEG(HG)-GAA
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8arm-PEG(HG)-SAA
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8arm-PEG(HG)-SA
10k,15k;20k;40k
8arm-PEG(HG)-CM
10k,15k;20k;40k
8arm-PEG(SUC)-MAL
10k,15k;20k;40k
8arm-PEG(HY)-SG
10k,15k;20k;40k
Linkers
NH2-PEGn-PA(n=2-24)
AZIDE-PEGn-NH2(n=2-24)
AZIDE-PEGn-PA(n=2-24)
M-PEGn-PA(n=2-24)
M-PEGn-NH2(n=2-24)
MAL-PEGn-PA(n=2-24)
MAL-PEGn-SPA(n=2-24)
DBCO-PEGn-PA(n=2-24)
MAL-PEGn-VC-PAB(n=2-24)
MAL-PEGn-VA-PAB(n=2-24)
DBCO-PEGn-VC-PAB(n=2-24)
DBCO-PEGn-VA-PAB(n=2-24)
LNPs
M-DMG-2000
ALC-0159
ALC-0315
SM-102
DOTAP
PLGA
产品型号
特性黏度(dL/g)
PLGA5050
PLGA5050-20H
0.16-0.24
PLGA5050-30H
0.25-0.35
PLGA5050-40H
0.36-0.44
PLGA5050-20S
0.16-0.24
PLGA5050-30S
0.25-0.35
PLGA5050-40S
0.36-0.44
PLGA6535
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