Lipid nanoparticles (LNPs) containing short interfering RNA (LNP-siRNA) and optimized ionizable cationic lipids are now clinically validated systems for silencing disease-causing genes in hepatocytes following intravenous administration. However, the mechanism of formation and certain structural features of LNP-siRNA remain obscure. These systems are formed from lipid mixtures (cationic lipid, distearoylphosphatidylcholine, cholesterol, and PEG-lipid) dissolved in ethanol that is rapidly mixed with siRNA in aqueous buffer at a pH (pH 4) where the ionizable lipid is positively charged. The resulting dispersion is then dialyzed against a normal saline buffer to remove residual ethanol and raise the pH to 7.4 (above the p Ka of the cationic lipid) to produce the finished LNP-siRNA systems. Here we provide cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) and X-ray evidence that the complexes formed between siRNA and ionizable lipid at pH 4 correspond to tightly packed bilayer structures with siRNA sandwiched between closely apposed monolayers. Further, it is shown that ionizable lipid not complexed to siRNA promotes formation of very small vesicular structures at pH 4 that coalesce to form larger LNP structures with amorphous electron dense cores at pH 7.4. A mechanism of formation of LNP-siRNA systems is proposed whereby siRNA is first sandwiched between closely apposed lipid monolayers at pH 4 and subsequently trapped in these structures as the pH is raised to 7.4, whereas ionizable lipid not interacting with siRNA moves from bilayer structure to adopt an amorphous oil phase located in the center of the LNP as the pH is raised. This model is discussed in terms of previous hypotheses and potential relevance to the design of LNP-siRNA systems.

Lipid nanoparticles (LNPs) encapsulating short interfering RNAs that target hepatic genes are advancing through clinical trials, and early results indicate the excellent gene silencing observed in rodents and nonhuman primates also translates to humans. This success has motivated research to identify ways to further advance this delivery platform. Here, we characterize the polyethylene glycol lipid (PEG-lipid) components, which are required to control the self-assembly process during formation of lipid particles, but can negatively affect delivery to hepatocytes and hepatic gene silencing in vivo. The rate of transfer from LNPs to plasma lipoproteins in vivo is measured for three PEG-lipids with dialkyl chains 14, 16, and 18 carbons long. We show that 1.5 mol % PEG-lipid represents a threshold concentration at which the chain length exerts a minimal effect on hepatic gene silencing but can still modify LNPs pharmacokinetics and biodistribution. Increasing the concentration to 2.5 and 3.5 mol % substantially compromises hepatocyte gene knockdown for PEG-lipids with distearyl (C18) chains but has little impact for shorter dimyristyl (C14) chains. These data are discussed with respect to RNA delivery and the different rates at which the steric barrier disassociates from LNPs in vivo.Molecular Therapy-Nucleic Acids (2013) 2, e139; doi:10.1038/mtna.2013.66; published online 17 December 2013.

Onpattro, the first RNAi-based therapeutic to receive FDA approval, is enabled by a lipid nanoparticle (LNP) system that facilitates siRNA delivery into the cytoplasm of target cells (hepatocytes) following intravenous (i.v.) administration. These LNP-siRNA systems consist of four lipid components (ionizable cationic lipid, distearolyphosphatidycholine or DSPC, cholesterol, and PEG-lipid) and siRNA. The ionizable cationic lipid has been optimised for RNA encapsulation and intracellular delivery, and the PEG-lipids have been engineered to regulate LNP size and transfection potency. The roles of the other "helper" lipids, DSPC and cholesterol, remain less clear. Here we show that in empty LNP systems that do not contain siRNA, DSPC-cholesterol resides in outer layers, whereas in loaded systems a portion of the DSPC-cholesterol is internalised together with siRNA. It is concluded that the presence of internalised helper lipid is vital to the stable encapsulation of siRNA in the LNP and thus to LNP-siRNA function.

Previous work has shown that lipid nanoparticles (LNP) composed of an ionizable cationic lipid, a poly(ethylene glycol) (PEG) lipid, distearoylphosphatidylcholine (DSPC), cholesterol, and small interfering RNA (siRNA) can be efficiently manufactured employing microfluidic mixing techniques. Cryo-transmission electron microscopy (cryo-TEM) and molecular simulation studies indicate that these LNP systems exhibit a nanostructured core with periodic aqueous compartments containing siRNA. Here we examine first how the lipid composition influences the structural properties of LNP-siRNA systems produced by microfluidic mixing and, second, whether the microfluidic mixing technique can be extended to macromolecules larger than siRNA. It is shown that LNP-siRNA systems can exhibit progressively more bilayer structure as the proportion of bilayer DSPC lipid is increased, suggesting that the core of LNP-siRNA systems can exhibit a continuum of nanostructures depending on the proportions and structural preferences of component lipids. Second, it is shown that the microfluidic mixing technique can also be extended to encapsulation of much larger negatively charged polymers such mRNA (1.7 kb) or plasmid DNA (6 kb). Finally, as a demonstration of the generality of the microfluidic mixing encapsulation process, it is also demonstrated that negatively charged gold nanoparticles (5 nm diameter) can also be efficiently encapsulated in LNP containing cationic lipids. Interestingly, the nanostructure of these gold-containing LNP reveals a "currant bun" morphology as visualized by cryo-TEM. This structure is fully consistent with LNP-siRNA structure predicted by molecular modeling.

Successfully employing therapeutic nucleic acids, such as small interfering RNA (siRNA), requires chemical modifications or the use of nanocarrier technology to prevent their degradation and facilitate intracellular delivery. Lipid nanoparticles (LNP) are among the most advanced nanocarriers and have facilitated the first siRNA therapeutic's clinical translation and approval. One of LNPs' major advantages is their applicability as modular platform technology due to the interchangeable siRNA payload. In addition, drug derivatization approaches can be used to synthesize lipophilic small molecule prodrugs that stably incorporate in LNPs. This provides ample opportunities to develop combination therapies by co-encapsulating multiple therapeutic agents in a single formulation. Here, we describe how the modular LNP platform can be applied for combined gene silencing and chemotherapy to induce additive anti-cancer effects. We show that various lipophilic taxane prodrug derivatives and siRNA against the androgen receptor, a prostate cancer driver, can be efficiently and stably co-encapsulated in LNPs. In addition, we demonstrate that prodrug incorporation does not affect LNPs' gene silencing ability and that the combination therapy induces additive therapeutic effects in vitro. Using a double-radiolabeling approach, we quantitively determined the LNPs' and prodrugs' pharmacokinetic properties and biodistribution following systemic administration in tumor-bearing mice. Our results indicate that co-encapsulation of siRNA and lipophilic prodrugs into LNPs could be an attractive and straightforward approach for combination therapy development.