PEG-free LNP：BioNTech 如何用電荷重新定義 mRNA 遞送的穩定性設計
- Jason Lu
- 1月22日
- 讀畢需時 4 分鐘
前言
在 mRNA therapeutics 與 lipid nanoparticle（LNP）領域中，
PEG-lipid 幾乎被視為不可或缺的標準元件。
PEG 的角色很清楚：
提供 steric shielding，防止顆粒聚集
延長血液循環時間
降低非專一性吸附
然而，隨著 mRNA 技術從「一次性疫苗」走向「重複給藥的系統性治療」，
PEG 相關的 anti-PEG 抗體 與 Accelerated Blood Clearance（ABC）現象，逐漸成為實際的臨床與平台風險。
BioNTech Delivery Technologies 團隊近期發表的一篇 bioRxiv 論文，提出了一個關鍵問題：
LNP 的穩定性，真的只能靠 PEG 提供的 steric shielding 嗎？
他們的答案，催生了一個值得整個 delivery field 認真對待的概念：
PEG-free LNP。
為什麼 PEG-free LNP 會失穩？問題出在 pH 7.4
這篇論文的價值，不在於「去掉 PEG」，而在於先釐清問題本身。
作者首先系統性地分析了 PEG-free LNP 在不同 pH 條件下的 ζ-potential，結果顯示：
pH 5.0（製程條件）：ζ-potential 為正值（ionizable lipid 質子化）
pH 8.5：ζ-potential 為負值（RNA 電荷主導）
pH 7.4（生理與儲存條件）：ζ-potential 接近 0 mV
這個結果揭示了一個關鍵事實：
👉 PEG-free LNP 在最重要的使用條件下，幾乎沒有任何電荷排斥力
👉 因此顆粒會在短時間內聚集
換句話說，問題不是「沒有 PEG 不行」，而是：
在 pH 7.4，LNP 缺乏任何有效的物理穩定機制
PEG-free LNP 的核心機制：Electrostatic Stabilization
理解失穩機制後，BioNTech 團隊提出的解法非常乾淨，也非常工程化：
👉 用電荷排斥，取代 steric shielding
他們在 PEG-free LNP 表面引入 sodium triphosphate（3P），作為多價陰離子穩定劑，其設計邏輯包括：
−3 的多價電荷
高電荷密度
可與表面暴露的 ionizable lipid headgroup 形成穩定的靜電交互作用
實驗顯示：
當 3P 濃度 ≥ 5 mM
PEG-free LNP 的 ζ-potential 可穩定維持在 −4 至 −7 mV
顆粒在中性 pH 條件下維持膠體穩定性
值得注意的是：
monophosphate 與 citrate 無法提供長期穩定性
顯示 PEG-free LNP 的成功，並非「任何陰離子都可以」
這一點在學術上非常重要，因為它證明：
Electrostatic stabilization 是一個可被精準設計的穩定機制，而非權宜之計
CMC 關鍵數據：PEG-free LNP 也能長期穩定
若 PEG-free LNP 只在短期實驗中有效，這篇論文的影響力會大打折扣。
但作者進一步提供了一組高度 CMC 導向的長期穩定性數據。
在 4°C、長達 9 個月的儲存條件下，PEG-free LNP（3P-LNP）與傳統 PEG-LNP：
粒徑維持 ≤ 115 nm
PDI 維持 ≤ 0.3
RNA integrity 維持 ≥ 65%
Cryo-TEM 顯示顆粒形態完整
這組結果清楚指出：
PEG-free LNP 不僅在概念上成立，也具備實際產品化所需的穩定性
In vivo 表現：PEG-free LNP 改變的是動力學，而非終點
在小鼠靜脈注射模型中，PEG-free LNP 呈現出一個值得深思的現象：
給藥後 6 小時，PEG-free LNP 的肝臟 luciferase 表現約為 PEG-LNP 的 2 倍
24 小時後，兩者的整體表現量趨於一致
Biodistribution 皆以 liver 為主
作者的解釋非常克制，也非常符合既有文獻：
PEG-lipid 會延緩 ApoE 結合與早期肝臟攝取
PEG-free LNP 不需要等待 PEG desorption
因此早期 uptake 動力學更快
這提醒我們一件常被忽略的事：
PEG 不只是「穩定劑」，它同時在調控 mRNA delivery 的動力學
MALDI-MS Imaging：Biodistribution 不等於 Biological Effect
為了區分「LNP 到了哪裡」與「RNA 在哪裡真正發揮功能」，
作者進一步使用 MALDI mass spectrometry imaging 分析肝臟內部的空間分佈。
結果顯示：
Ionizable lipid 在 periportal 區域較為豐富
GFP 表現則偏向 pericentral 區域
這暗示：
肝臟 zonation 會影響 RNA translation efficiency
單看 biodistribution，可能會誤判功能性輸出
這一段其實是在提醒整個 PEG-free LNP 與 mRNA delivery 領域：
分佈，與功能，不一定重疊
從學術角度，PEG-free LNP 改變了什麼？
若冷靜回到學術層次，這篇 PEG-free LNP 論文的關鍵貢獻包括：
拆解 PEG-lipid 在 LNP 中的「物理角色」，而非將其視為生物必需
證明 electrostatic stabilization 可取代 steric shielding
在不犧牲穩定性、體內表現與安全性的前提下，實現 PEG-free 系統性 LNP
提供一個可被系統性優化的設計方向，而非單一材料替代方案
結語：PEG-free LNP 是一個系統設計訊號
當 mRNA therapeutics 開始走向：
重複給藥
長期治療
精細的體內動力學控制
我們終究需要跳脫「單一配方最佳解」的思維。
BioNTech 這篇 PEG-free LNP 的研究，並不是在否定 PEG，
而是在提醒整個領域：
LNP 的設計空間，遠比我們過去習慣的還要大
而這，正是 mRNA delivery 系統工程下一個十年，最值得期待的地方。
延伸思考：LNP 與 mRNA 遞送系統的技術顧問合作
隨著 mRNA therapeutics 持續往臨床與長期治療發展，
當前的挑戰早已不只是「能不能遞送」，而是：
能不能穩定重複給藥
能不能在不同適應症下維持可預期的體內動力學
能不能把配方概念轉化為具備 CMC 可行性的產品平台
能不能用「系統層級」理解 in vivo 數據，而不是只看單一 readout
這些問題，通常不是單一配方微調可以解決的，而是涉及 化學、材料、生物與製程交織的系統工程。
技術顧問（Technical Consulting）
我提供以 LNP 與核酸遞送系統為核心的技術顧問服務，協助：
生技新創與平台團隊重新思考 LNP 系統設計策略
PEG-free 與下一代 LNP 穩定化機制的技術評估
針對 重複給藥與系統性遞送 的 mRNA 平台優化
從 formulation、in vivo biology 到 CMC 的跨層級技術整合
我的顧問角色不是提供制式建議，而是協助團隊：
在早期釐清設計取捨
避開 delivery 平台常見的結構性風險
建立「科學上站得住腳、開發上走得下去」的遞送系統
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Reference
PEG-free, Triphosphate-Stabilized LNPs Enable Potent RNA Delivery
BioNTech Delivery Technologies（bioRxiv, 2025）
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