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研究背景
siRNA双链稳定性常用熔解温度(Tm)衡量。即双链中有一半解离为互补单链或一半二级结构线性化时的温度,Tm越高,核酸双链或二级结构越稳定。
在液相色谱分析中,变性条件(高于Tm)常用于确保寡核苷酸的可预测保留行为,避免分子内和分子间相互作用干扰;而非变性条件则适用于特定分析需求,如双链限制性片段的尺寸测定和siRNA双链中单个链成分的量化分析,可避免单链峰的假阳性检测。
目前,siRNA双链的Tm可通过在线计算器预测,但这些计算器仅适用于水溶液和有限缓冲液体系,无法考虑离子对缓冲液和有机改性剂等色谱常用试剂对Tm的影响。同时,液相色谱分离条件(流动相组成、固定相类型等)对siRNA双链稳定性的系统影响尚未明确,这给色谱方法开发带来挑战。

图1. 本研究中使用的siRNA双链序列
流动相组成对siRNA双链稳定的影响
♦ 阳离子浓度:浓度越高,双链越稳定
• 阳离子(以Na+为例)浓度升高会显著提升siRNA双链Tm,在磷酸钠缓冲液中,[Na+]浓度从10 mM 增至 25 mM、100 mM 时,DSC 测得的Tm分别从67.1℃升至74.8℃、87.2℃。
• 高浓度阳离子通过增强对核酸链负电荷的中和作用,减少链间排斥,从而稳定双链结构。

图2. 在10、25和100 mM [Na+]浓度下获得的DSC熔解曲线
♦ 阳离子类型:电荷越高、电荷密度越高,稳定效果越强
• 电荷差异:二价阳离子(如10 mM Mg2+)的稳定作用远优于一价阳离子,DSC测得其Tm高达101.0℃,为所有测试阳离子中最高。
• 体积差异:一价阳离子中,体积越小,电荷密度越高,稳定效果越强,Tm排序为:DIPEA+<TEA+<HA+<Cs+<K+<Na+<NH4+<Li+(10 mM 浓度下,Li+的Tm为 70.2℃,而体积较大的三乙胺阳离子TEA+仅为 56.6℃)。

图3. 采用DSC法在10 mM碱金属离子或10 mM氯化镁盐水溶液中测得的熔解温度值
• 烷基胺类阳离子(如TEA+、HA+)因体积大、电荷中和能力弱,对双链的稳定作用显著弱于碱金属阳离子(如Li+、Na+)。
♦ 有机变性剂:降低双链稳定性,变性能力有差异
变性效果:向缓冲液中添加 20% 有机溶剂(甲醇 MeOH、乙醇 EtOH、乙腈 MeCN)会使Tm降低 1-3℃,且变性能力排序为:MeOH<EtOH<MeCN(如 10 mM 醋酸铵缓冲液中,添加 20% MeOH 时Tm为 67.7℃,添加 20% MeCN 时降至 65.4℃)。
高浓度乙腈的影响:当MeCN 浓度升至 50% 时,siRNA 双链可能完全变性(如10 mM 醋酸铵 + 50% MeCN 中,DSC 未检测到熔融峰;25 mM 醋酸铵 + 50% MeCN 中,Tm仅为46.2℃,且双链难以复性)。
六氟异丙醇(HFIP)的特殊性:作为离子对色谱中常用的 MS 兼容溶剂,100 mM HFIP 对Tm影响较小,仅使Tm降低1-2℃(如10 mM TEA+缓冲液中,TEA/Ac 的Tm为56.6℃,TEA/HFIP的Tm为 54.9℃)。

图4. 在10 mM磷酸钠、乙酸铵和烷基铵缓冲液中测得的熔解温度值
不同色谱技术下siRNA双链稳定性研究
体积排阻色谱(SEC):Tm与DSC接近,受稀释影响略低
SEC基于分子大小分离,流动相(25 mM磷酸钠缓冲液)与固定相无显著相互作用,测得的Tm约70℃,与DSC 测得的74.8℃接近。
差异原因:SEC中样品被流动相稀释,导致双链稳定性略有下降;且色谱过程中存在柱上缓慢熔融,使Tm略低于溶液中的真实值。

图5. 采用含25 mM 磷酸钠(pH 7.5)的流动相对siRNA进行SEC分析
离子对反相色谱(IP RP LC):Tm与DSC烷基胺体系一致,受固定相调控
采用10/100 mM 己胺(HA)/HFIP 流动相,测得Tm为49.3-54.9℃,与DSC测得的10 mM 烷基胺缓冲液中Tm(49-57.7℃)一致。
原因解释:尽管IP RP LC 需高浓度MeOH(50-75%)洗脱,但固定相表面吸附的带电荷离子对试剂破坏了反相固定相的“富有机层”,避免了双链过度变性,使Tm未进一步降低。

图6. 采用10/100 mM HA/HFIP离子对体系、以甲醇为洗脱剂对siRNA进行IP RP LC分析
亲水相互作用色谱(HILIC):Tm远高于预期,固定相水层起稳定作用
HILIC 使用高比例乙腈(初始梯度60% MeCN),但测得的Tm约为80℃,远高于DSC 测得的10 mM醋酸铵 + 60%MeCN 体系的预期值(推测<50℃),且 90℃时仍有残留双链。
原因解释:HILIC 固定相(酰胺柱)表面吸附形成“富水层”,该水层的含水量远高于流动相本体,为双链提供了稳定环境,抵消了高浓度乙腈的变性作用。

图7. 采用含10 mM乙酸铵和乙腈的流动相进行siRNA双链的HILIC分析
反相色谱(RP LC):Tm远低于 DSC,固定相富乙腈层促变性
RP LC(C18 固定相)无离子对试剂时,即使在低温(10℃)或高缓冲浓度(50 mM醋酸铵)下,双链仍易变性;30℃时,10 mM醋酸铵流动相中,双链几乎完全解离为单链,与DSC 测得的68.1℃(10 mM醋酸铵)差异极大。
原因解释:C18 固定相表面吸附形成“富有机层”,该层乙腈浓度高于流动相,显著增强了对双链的变性作用;而添加离子对试剂后(IP RP LC),试剂吸附可破坏 “富有机层”,提升双链稳定性。

图8. 采用10 mM乙酸铵为流动相、0%至25%乙腈梯度进行siRNA双链的RP LC分析
小结
♦ 核心结论
流动相组成显著影响siRNA双链稳定性:阳离子浓度越高、电荷密度越大,稳定性越强;有机溶剂的变性作用遵循MeOH<EtOH<MeCN顺序;HFIP对稳定性影响温和,适用于质谱兼容的IP RP LC方法。
固定相通过表面溶剂层调控稳定性:HILIC固定相的富水层增强双链稳定性,RP LC固定相的富有机层促进变性;IP RP LC中离子对试剂可抑制富有机层形成,提升稳定性。
♦非变性方法开发:
若需维持siRNA双链稳定(如定量单链杂质),建议选择高浓度二价阳离子(如Mg2+)或碱金属阳离子(如100 mM Na+)缓冲液,避免高浓度MeCN,优先选用HILIC 或低有机相IP RP LC模式,并控制柱温低于Tm至少6-10℃。
♦变性方法开发:
若需完全变性双链(如分离单链),建议选用RP LC模式,或在IP RP LC中提高柱温(如 70℃以上)、使用高浓度MeCN,利用固定相 “富有机层” 促进变性。
参
考
文
献
Gilar M , Redstone S , Gomes A .Impact of mobile and stationary phases on siRNA duplex stability in liquid chromatography[J].Journal of Chromatography A, 2024, 1733(000).
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