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In vitro and in vivo evaluation of clinically-approved ionizable cationic lipids shows divergent results between mRNA transfection and vaccine efficacy - 13/08/23

Doi : 10.1016/j.biopha.2023.115065 
Oscar Escalona-Rayo a, Ye Zeng a, Renzo A. Knol a, Thomas J.F. Kock a, Dennis Aschmann a, Bram Slütter b, , Alexander Kros a,
a Department of Supramolecular and Biomaterials Chemistry, Leiden Institute of Chemistry, Leiden University, Leiden, the Netherlands 
b Division of Biopharmaceutics, Leiden Academic Centre for Drug Research, Leiden University, Leiden, the Netherlands 

Correspondence to: Leiden Academic Centre for Drug Research, Leiden University, Einsteinweg 55, 2333 CC Leiden, the Netherlands. Leiden Academic Centre for Drug Research, Leiden University Einsteinweg 55 Leiden 2333 CC the Netherlands ⁎⁎ Correspondence to: Leiden Institute of Chemistry, Leiden University, Einsteinweg 55, 2333 CC Leiden, the Netherlands. Leiden Institute of Chemistry, Leiden University Einsteinweg 55 Leiden 2333 CC the Netherlands

Abstract

Ionizable cationic lipids (ICLs) play an essential role in the effectiveness of lipid nanoparticles (LNPs) for delivery of mRNA therapeutics and vaccines; therefore, critical evaluations of their biological performance would extend the existing knowledge in the field. In the present study, we examined the effects of the three clinically-approved ICLs, Dlin-MC3-DMA, ALC-0315 and SM-102, as well as DODAP, on the in vitro and in vivo performance of LNPs for mRNA delivery and vaccine efficacy. mRNA-LNPs containing these lipids were successfully prepared, which were all found to be very similar in their physicochemical properties and mRNA encapsulation efficiencies. Furthermore, the results of the in vitro studies indicated that these mRNA-LNPs were efficiently taken up by immortalized and primary immune cells with comparable efficiency; however, SM-102-based LNPs were superior in inducing protein expression and antigen-specific T cell proliferation. In contrast, in vivo studies revealed that LNPs containing ALC-0315 and SM-102 yielded almost identical protein expression levels in zebrafish embryos, which were significantly higher than Dlin-MC3-DMA-based LNPs. Additionally, a mouse immunization study demonstrated that a single-dose subcutaneous administration of the mRNA-LNPs resulted in a high production of intracellular cytokines by antigen-specific T cells, but no significant differences among the three clinically-approved ICLs were observed, suggesting a weak correlation between in vitro and in vivo outcomes. This study provides strong evidence that ICLs modulate the performance of mRNA-LNPs and that in vitro data does not adequately predict their behavior in vivo .

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Graphical Abstract




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Keywords : MRNA delivery, Ionizable cationic lipids, Lipid nanoparticles, Transfection, T cell response


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