Molekylær detektionsplatform giver ny indsigt i fremstilling af genmedicin

En vigtig komponent i de vacciner, der beskytter mennesker mod SARS-CoV-2-virus og dets varianter, er lipidnanopartikler eller LNP'er. Disse cirkulære partikler bærer terapeutiske mRNA-nyttelaster, fragmenterne af genetisk materiale, der udløser vores immunsystem til at forsvare sig mod COVID-19.

Selv med deres succes er visse karakteristika ved partiklerne, såsom fordelingen af ​​nyttelast, ukendte. Forskere og Food and Drug Administration ønsker mere indsigt i disse egenskaber for at forbedre metrikrapportering i farmaceutisk fremstilling.

En ny molekylær detektionsplatform udviklet af to professorer fra Whiting School of Engineering besvarer FDA's opfordring. Hai-Quan Mao og Tza-Huei (Jeff) Wang ønsker at adressere, hvor mange mRNA-molekyler en LNP kan bære, og om mRNA'et er ensartet pakket inde i partiklen for at hjælpe forskere med at designe mere effektive og effektive behandlinger og vacciner.

"Vores platform behandler molekyler på enkelt nanopartikelniveau, men i modsætning til de nuværende billeddannelsesmetoder for mRNA LNP'er, er vores tilgang baseret på fluorescerende spektroskopi og giver os muligheden for at se gennem partiklerne," siger Wang, professor i afdelingerne for Mekanisk Engineering and Biomedical Engineering ved Whiting School, og en kerneforsker ved Institute for NanoBioTechnology.

Evnen til at kigge ind i nanopartiklerne gør det muligt for forskerne at skelne mellem og måle tomme LNP'er, der ikke indeholder mRNA, LNP'er med mRNA og fritflydende mRNA i en prøve.

Deres platform, kaldet cylindrisk belysning konfokal spektroskopi eller CISC, fungerer ved at mærke mRNA- og LNP-komponenter med fluorescerende signaler på op til tre farver og føre prøven gennem et detektionsplan. Detektionsplanet aflæser de fluorescerende signaler og måler deres intensitet, før styrken af ​​intensiteterne sammenlignes med et enkelt mRNA-molekyle.

Dataanalysen med en algoritme kaldet dekonvolution fortæller holdet både, hvor mange mRNA-kopier der er inde i LNP'en - hvis nogen - og deres fordeling i prøven. Holdets platform overvinder kontrastbegrænsninger og øger prøveanalysegennemløbet, som ses i kryotransmissionselektronmikroskopi, den nuværende guldstandard for billeddannelse af mRNA LNP'er.

Tests udført ved hjælp af denne sanseplatform afslørede, at fra en benchmarkopløsning af mRNA LNP anvendt i akademiske forskningsstudier er over 50 % af LNP'erne ikke fyldt med mRNA-molekyler, og af de mRNA-fyldte LNP'er indeholdt de fleste af dem to til tre mRNA'er molekyler pr. partikel.

"At være i stand til kvantitativt at løse nyttelastkarakteristika for mRNA-LNP'er på enkeltpartikelniveau er aldrig blevet gjort før. Vi er fascineret af den betydelige tilstedeværelse af tomme LNP'er, og ved at ændre formuleringsbetingelser kan en enkelt nanopartikel indlæse så få som én til som mange som ti mRNA-molekyler," sagde Mao, professor i afdelingerne for Materials Science and Engineering og Biomedical Engineering ved Whiting School og direktør for Institute for NanoBioTechnology.

Holdets resultater offentliggøres i Nature Communications .

"Der er mange grupper, der laver LNP-forskning," sagde Wang. "Men når de opdager en formel, der kunne fungere godt, har det været svært at knytte disse opdagelser tilbage til sammensætningen og nyttelastfordelingen af ​​nanopartiklerne. Med denne platform kan vi give en mere omfattende forståelse af, hvad der sker ved den enkelte partikel. niveau."

Mere forskning er nødvendig for at finde ud af, hvor mange mRNA-molekyler pr. LNP-kapsel er optimal for den mest effektive behandling. De tomme LNP'er afsløret af den nye platform viser imidlertid, at der er et behov for at forbedre metoderne til at pakke mRNA'et inde i LNP'erne.

Mao og Wang siger, at deres platform viser, at den har potentialet til ikke kun at blive brugt på alle stadier af LNP-relateret forskning og udvikling, men også i udviklingen af ​​andre lægemiddelleveringssystemer og kvalitetskontrolforanstaltninger på fremstillingsstadiet. Holdet har indgivet en patentansøgning, der dækker teknikken og arbejder sammen med samarbejdspartnere for at bruge platformen til at analysere andre typer terapeutiske laster i forskellige nanopartikelsystemer til behandling af forskellige sygdomme.

"FDA har for nylig adresseret behovet for bedre kvalitetsmålinger i nanopartikeldesign i den farmaceutiske industri," sagde Michael J. Mitchell, en førende videnskabsmand inden for LNP-forskning og Skirkanich Assistant Professor of Innovation i Institut for Bioingeniør ved universitetet af Pennsylvania.

"Dette vil blive stadig vigtigere, efterhånden som mRNA LNP-teknologi udvider sig ud over vacciner til nye terapeutiske midler, der administreres i blodbanen, som har meget strenge krav. Den nye detektionsplatform udviklet af Drs. Mao og Wangs team er et potentielt vigtigt skridt fremad i håndteringen af behov i forsknings- og reguleringsfasen og kan potentielt hjælpe med udviklingen af ​​mRNA LNP-teknologi ud over vacciner." + Udforsk yderligere

Ny platform kunne gøre levering af genmedicin nemmere og mere overkommelig