LNP 입자 크기, PDI, 봉입률은 실험 결과에 얼마나 영향을 미칠까?

mRNA-LNP 전달 실험에서는 RNA 서열, 형질주입 용량 또는 세포 모델에 우선적으로 주목하는 경우가 많습니다. 그러나 실제로는 LNP 자체의 물리화학적 특성이 실험 결과의 안정성과 재현성에 큰 영향을 미칩니다. 그중에서도 입자 크기（Particle Size）, PDI（Polydispersity Index, 다분산지수）, 봉입률（Encapsulation Efficiency, EE） 은 가장 핵심적인 품질 평가 지표 중 하나입니다.

동일한 mRNA, 동일한 용량, 동일한 실험 조건을 사용하더라도 결과에 뚜렷한 차이가 나타날 수 있습니다. 이러한 차이는 종종 LNP의 품질 파라미터와 관련이 있습니다.

1. LNP 입자 크기: 전달 효율과 체내 분포에 영향을 미친다

LNP 입자 크기는 일반적으로 나노입자의 평균 수화 직경을 의미하며, 주로 DLS（동적 광산란）를 통해 측정됩니다.

mRNA-LNP에서 입자 크기는 무조건 작을수록 좋은 것도, 클수록 안정적인 것도 아닙니다. 목적하는 전달 조건에 적합한 범위로 제어하는 것이 중요합니다.

1. 입자 크기가 지나치게 큰 경우: 세포 흡수와 체내 분포에 영향을 줄 수 있음

입자 크기가 크거나, 특히 뚜렷한 응집이 존재하는 경우 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

• 세포 흡수 효율 저하
• 조직 침투 능력 감소
• 단핵식세포계（MPS）에 의한 빠른 제거 증가
• 체내 발현 수준 저하
• 비표적 조직으로의 축적 증가

체내 실험에서는 입자 크기가 지나치게 크거나 입자가 응집된 경우, 간과 비장 등 세망내피계 관련 장기로의 흡수가 증가하여 표적 조직으로의 전달 효율에 영향을 줄 수 있습니다.

2. 입자 크기가 지나치게 작은 경우: 입자 안정성에 영향을 줄 수 있음

입자 크기가 작은 것은 때때로 확산성과 분포성을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 입자 구조가 불안정한 경우 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

• 입자 안정성 저하
• RNA 보호 능력 부족
• 보관 또는 투여 과정에서 누출, 분해 또는 방출 증가
• 유효 전달량 감소

따라서 많은 mRNA-LNP 시스템에서는 안정성과 전달 효율의 균형을 고려하여 입자 크기를 약 60–120 nm 범위로 제어하는 경우가 많습니다. 다만 이 범위가 절대적인 기준은 아니며, 최적의 입자 크기는 지질 조성, 투여 경로, 표적 조직 및 적용 목적에 따라 종합적으로 결정해야 합니다.

2. PDI: 입자의 균일성을 반영하는 지표

PDI는 입자 크기 분포의 균일성을 나타내는 지표입니다. 많은 경우 평균 입자 크기만 확인하고 PDI는 간과하기 쉽습니다. 그러나 평균 입자 크기가 같다고 해서 시료 품질까지 같은 것은 아닙니다.

예를 들어:

• 두 배치의 LNP 평균 입자 크기가 모두 90 nm
• 한 배치의 PDI는 0.12
• 다른 배치의 PDI는 0.35

이 경우 두 시료의 실험 결과는 완전히 달라질 수 있습니다.

PDI가 높다는 것은 무엇을 의미할까?

PDI가 높다는 것은 일반적으로 다음과 같은 상태를 시사합니다.

• 입자 크기 분포의 불균일성
• 응집체 또는 큰 입자의 존재
• 혼합 공정의 불안정성
• 배치 간 재현성 저하

이는 다시 다음과 같은 결과로 이어질 수 있습니다.

• 세포 흡수 차이 증가
• 발현 수준의 변동성 증가
• 데이터 재현성 저하
• 체내 분포의 불일치

일반적인 기준은 다음과 같습니다.

• PDI < 0.2: 균일성이 양호함
• 0.2–0.3: 일부 시스템에서는 허용 가능하나 안정성 확인 필요
• > 0.3: 뚜렷한 이질성 또는 응집 가능성을 시사

다만 PDI는 측정 농도, 완충액 조성, 시료 처리 방식, 장비의 분석 알고리즘 등에 영향을 받을 수 있습니다. 따라서 PDI 결과는 입자 크기 분포, 반복 측정 결과, 필요 시 NTA, TEM 또는 Cryo-EM 등의 분석 결과와 함께 종합적으로 평가하는 것이 바람직합니다.

3. 봉입률: 실제로 전달되는 mRNA 양에 영향을 미친다

봉입률（EE）은 LNP에 성공적으로 봉입된 RNA가 전체 RNA에서 차지하는 비율을 의미합니다. 이 지표는 다음과 직접적으로 관련됩니다.

• 유효 전달 용량
• RNA 안정성
• 형질주입 후 발현 수준
• 실험 재현성

봉입률이 낮으면 어떤 문제가 발생할까?

봉입률이 충분하지 않으면 봉입되지 않은 RNA가 외부 환경에 노출되어 다음과 같은 영향을 받기 쉽습니다.

• RNase에 의한 분해
• 활성 상실
• 비특이적 반응 유발
• 실제 전달량 감소

그 결과, 이론상 투입한 RNA 양은 충분하더라도 LNP에 의해 보호되어 세포 내로 전달되고 기능을 발휘하는 mRNA 양은 적을 수 있습니다.

실험에서 “RNA 사용량이 적지 않은데도 발현이 약하다”는 현상이 나타나는 경우, 그 원인 중 하나가 낮은 봉입률일 수 있습니다.

일반적으로 다음과 같이 판단할 수 있습니다.

• > 90%: 비교적 이상적
• 80–90%: 많은 연구에서 허용 가능한 범위
• < 80%: 처방 또는 제조 공정의 추가 최적화 권장

하지만 봉입률이 높다고 해서 반드시 발현이 높아지는 것은 아닙니다. 최종 발현 효과는 세포 흡수, 엔도좀 탈출, mRNA 방출, LNP 독성, 혈청 안정성, 표적 조직 분포 등 다양한 요인에 의해 결정됩니다.

4. 왜 세 가지 지표를 함께 봐야 할까?

실제 실험에서 입자 크기, PDI, 봉입률은 서로 독립적인 지표가 아니라 처방 조성과 제조 공정의 영향을 동시에 받습니다.

예를 들어:

• N/P 비율이나 지질 비율을 조정하면 봉입률은 높아질 수 있지만 입자 크기도 변할 수 있음
• 혼합 속도를 높이면 입자 크기는 줄어들 수 있지만 PDI에 영향을 줄 수 있음
• 이온화 지질 비율을 높이면 봉입 효율은 향상될 수 있지만 안정성과 세포독성에 영향을 줄 수 있음
• PEG-lipid 함량을 변경하면 입자 분산성은 개선될 수 있지만 세포 흡수와 체내 분포에 영향을 줄 수 있음

따라서 하나의 지표만 보고 판단하면 편향된 결론에 도달하기 쉽습니다.

겉보기에는 “발현이 양호한” LNP라 하더라도 다음과 같은 문제가 있다면:

• 비정상적인 입자 크기
• 높은 PDI
• 불안정한 봉입률
• 배치 간 변동성

결국 발현 저하, 재현성 감소, 독성 증가 또는 체내 효과 부족과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

5. 실험 결과의 차이는 RNA가 아니라 LNP 품질에서 비롯될 수 있다

mRNA-LNP 시스템에서 입자 크기는 전달 거동과 체내 분포에 영향을 주고, PDI는 입자의 균일성과 공정 안정성을 반영하며, 봉입률은 유효 mRNA 탑재량과 보호 능력을 좌우합니다. 이 세 가지 지표는 최종 발현 수준과 실험 안정성에 함께 영향을 미칩니다.

많은 실험 실패는 반드시 RNA 서열 설계의 문제가 아니라, LNP 품질 파라미터가 안정적인 상태에 도달하지 못했기 때문일 수 있습니다.

따라서 mRNA-LNP 실험을 최적화할 때는 최종 발현 결과만 볼 것이 아니라, 먼저 다음과 같은 기본 지표를 확인하는 것이 중요합니다.

• 입자 크기가 적절한 범위에 있는가?
• PDI가 충분히 낮고 안정적인가?
• 봉입률이 충분히 높으며 배치 간 일관성이 있는가?

이러한 데이터는 단일 발현 결과보다 실험의 성공 또는 실패 원인을 설명하는 데 더 유용할 수 있습니다.

정리

입자 크기, PDI, 봉입률은 mRNA-LNP 품질 관리에서 가장 기본적이면서도 중요한 지표입니다.

각각은 다음과 같은 의미를 갖습니다.

• 입자 크기는 세포 흡수, 조직 분포, 체내 제거에 영향을 미침
• PDI는 입자 균일성과 제조 공정 안정성을 반영함
• 봉입률은 유효 mRNA 탑재량과 RNA 보호 능력을 좌우함

다만 이 세 가지 지표만으로 LNP의 전체 성능을 완전히 평가할 수는 없습니다. 최종 전달 효과는 지질 조성, 엔도좀 탈출 능력, 독성, 보관 안정성, 투여 경로, 표적 조직 등을 종합적으로 고려해 판단해야 합니다.

따라서 안정적이고 신뢰성 높은 mRNA-LNP 실험을 위해서는 RNA 자체의 최적화뿐만 아니라, LNP의 핵심 품질 특성을 체계적으로 관리하는 것이 필수적입니다.