Ny mikrofluidisk enhed leverer mRNA-nanopartikler hundrede gange hurtigere

De COVID-vacciner, der i øjeblikket anvendes, blev udviklet med hidtil uset hastighed, men mRNA-teknologien, der virker i nogle af dem, er en lige så imponerende succeshistorie. Fordi enhver ønsket mRNA-sekvens kan syntetiseres i enorme mængder, en af ​​de største forhindringer i en række forskellige mRNA-terapier er evnen til at pakke disse sekvenser ind i de lipid-nanopartikler, der leverer dem til celler.

Nu, takket være produktionsteknologi udviklet af bioingeniører og medicinske forskere ved University of Pennsylvania, en hundrede gange stigning i den nuværende mikrofluidproduktionshastighed kan snart være mulig.

Forskernes fremskridt stammer fra deres design af en proof-of-concept mikrofluidisk enhed, der indeholder 128 blandekanaler, der arbejder parallelt. Kanalerne blander en præcis mængde lipid og mRNA, i det væsentlige at fremstille individuelle lipid-nanopartikler på et miniaturiseret samlebånd.

Denne øgede hastighed er måske ikke den eneste fordel; mere præcis kontrol af nanopartiklernes størrelse kunne gøre behandlinger mere effektive. Forskerne testede lipid-nanopartiklerne produceret af deres enhed i en museundersøgelse, viser, at de kunne levere terapeutiske RNA-sekvenser med fire-fem gange større aktivitet end dem, der er lavet ved konventionelle metoder.

Undersøgelsen blev ledet af Michael Mitchell, Skirkanich Adjunkt i Innovation i Penn Engineerings Institut for Bioteknik, og David Issadore, Lektor i Penn Engineerings Institut for Bioteknik, sammen med Sarah Shepherd, en ph.d.-studerende i begge deres laboratorier. Rakan El-Mayta, en forskningsingeniør i Mitchells laboratorium, og Sagar Yadavali, en postdoktor i Issadores laboratorium, også bidraget til undersøgelsen.

De samarbejdede med flere forskere ved Penns Perelman School of Medicine:postdoc-forsker Mohamad-Gabriel Alameh, Lili Wang, forskningslektor i medicin, James M. Wilson, Rose H. Weiss Center for Orphan Disease Center, leder af professor ved Institut for Medicin, Claude Warzecha, en seniorforsker i Wilsons laboratorium, og Drew Weissman, Professor i medicin og en af ​​de oprindelige udviklere af teknologien bag mRNA-vacciner.

Det blev offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver .

"Vi mener, at denne mikrofluidteknologi har potentialet til ikke kun at spille en nøglerolle i formuleringen af ​​nuværende COVID-vacciner, " siger Mitchell, "men også for potentielt at imødekomme det enorme behov, der ligger foran os, efterhånden som mRNA-teknologi udvides til yderligere klasser af terapeutiske midler."

Eksisterende fremstillingsteknikker for mRNA-baserede vacciner bruger computerstyrede pumper og sprøjter til omhyggeligt at blande to opløsninger:en indeholdende det ønskede terapeutiske mRNA og den anden med de olieagtige lipider, der vil indkapsle dem. Den korrekte timing og forhold er nøglen til at producere brugbare nanopartikler, da disse faktorer i sidste ende bestemmer nanopartiklernes størrelse og evne til at indkapsle mRNA.

Med tid af essensen, Covid-vaccineproducenter valgte disse gennemprøvede teknikker, snarere end at risikere forsinkelser fra tidligere uprøvede produktionsteknologier.

"Hvis vi ikke har den korrekte blandingstid eller -forhold, " siger Shepherd, "Variabiliteten i lipid nanopartikelstruktur vil hindre dens evne til at overleve rejsen ind i deres målceller. Selvom vi er blevet meget gode til at bestemme den ideelle sammensætning for en nanopartikel, vi mangler stadig at udvikle nye produktionsmetoder for at formulere dem hurtigt og konsekvent."

Fårehyrde, som arbejder i både Mitchells og Issadores laboratorier, var i en perfekt position til at stå i spidsen for en undersøgelse, der behandlede begge sider af dette problem. Mitchells laboratorium bruger materialevidenskab, kemi og beregningsværktøjer til at designe nye biomaterialer, der præcist kan levere terapeutiske midler - såsom lipid nanopartikler - mens Issadores kombinerer elementer fra mikroelektronik, mikrofluidik, nanomaterialer og maskinlæring til at designe mikrofluidchips, der er i stand til at fremstille dem.

"Vores laboratorium er i stigende grad interesseret i at bruge mikrochips til at generere præcise lægemiddelformuleringer til den farmaceutiske industri, " siger Issadore. "Der har været en enorm mængde løfte i denne teknologi, men den vellykkede oversættelse til virkelige applikationer har været sjælden. Dette skyldes primært den grundlæggende fysik, der styrer strømmen af ​​væsker, der er indespærret i disse chipss mikro- og nanoskalakanaler. Det betyder, at deres gennemløb har en tendens til at være så meget som en million gange langsommere, end hvad der er nødvendigt til kommercielle og kliniske applikationer."

Arbejder med Mitchells laboratorium, såvel som med andre samarbejdspartnere såsom Daeyeon Lees gruppe, forskerne har for nylig udviklet en ny mikrofluidik tilgang til at løse denne grundlæggende udfordring. Denne platformsteknologi, kaldet Very Large Scale Microfluidic Integration (VLSMI), tillader titusindvis af mikrofluidiske enheder at blive inkorporeret i en enkelt tredimensionelt ætset silicium-og-glaswafer.

Disse paralleliserede blandekanaler gør det muligt for VLSMI at have potentialet til at opnå de liter-per-time-produktionshastigheder, der er nødvendige for vaccinefremstilling. Flowmodstande sikrer, at hver blandekanal modtager de samme strømningsbetingelser og forhold mellem lipider og RNA'er på tværs af enheden, producerer de ensartede nanopartikler, der er afgørende for vaccine og terapeutiske anvendelser.

"Vores laboratorium har tidligere brugt en specialdesignet mikrofluidisk blandingsteknologi til at formulere lipidnanopartikler til mRNA-terapi og -vacciner, " siger Mitchell. "Men, en begrænsning for vores interne enhed var omfanget af de lipid-nanopartikler, som vi kunne producere. Vi kunne lave nok lipid-nanopartikler til at dosere små dyr, men ikke større dyr og mennesker. VLSMI-tilgangen var meget attraktiv for os fra tidligt, da vi i det væsentlige kunne integrere vores egen teknologi i denne tilgang, så vi kunne betjene 128 af vores egne mixere parallelt."

Da holdet havde designet en VLSMI-enhed, der var i stand til at masseproducere RNA-bærende lipid-nanopartikler, de skulle teste, hvor effektive de var. Samarbejde med deres kolleger i Penn Medicine, de udførte undersøgelser i mus ved hjælp af to forskellige typer RNA-sekvenser, fremstillet enten ved konventionel blanding eller deres VLSMI-metode. Den første, designet til at undertrykke produktionen af ​​et leverprotein med en lille interfererende RNA (siRNA) sekvens, viste en fire gange stigning i den ønskede gendæmpning med VLSMI nanopartiklerne. Sekundet, designet til at producere et fluorescerende markørprotein med en mRNA-sekvens, viste en femdobling sammenlignet med konventionel blanding.

Disse resultater viser, at VLSMI er en levedygtig metode til at gøre lipidnanopartikler effektive til brug i siRNA- og mRNA-baserede vacciner og terapier, men teknikken skal fortsætte med at vokse for at imødekomme den kommende efterspørgsel.

"COVID-vacciner er kun begyndelsen på brugen af ​​mRNA-teknologi i klinikken, " Mitchell siger. "Udviklingen af ​​disse vacciner vil bane vejen for en ny bølge af mRNA-genredigering og proteinerstatningsterapi, som vil revolutionere medicin. Dette vil kræve opskalering af formulering af mRNA i lipid-nanopartikler til hidtil usete niveauer. Vi ser frem til at udvide på denne proof-of-concept-teknologi med industripartnere for at udvikle skalerbare mRNA-lipid-nanopartikler og -vacciner."