Covid-vaccinerna som för närvarande används utvecklades med oöverträffad hastighet, men mRNA-tekniken som fungerar i vissa av dem är en lika imponerande framgångssaga. Eftersom vilken önskad mRNA-sekvens som helst kan syntetiseras i enorma mängder, ett av de största hindren i en mängd olika mRNA-terapier är förmågan att paketera dessa sekvenser i lipidnanopartiklarna som levererar dem till celler.

Nu, tack vare tillverkningsteknik utvecklad av bioingenjörer och medicinska forskare vid University of Pennsylvania, en hundrafaldig ökning av nuvarande mikrofluidproduktionshastigheter kan snart vara möjlig.

Forskarnas framsteg härrör från deras design av en proof-of-concept mikrofluidisk enhet som innehåller 128 blandningskanaler som arbetar parallellt. Kanalerna blandar en exakt mängd lipid och mRNA, huvudsakligen skapa individuella lipid-nanopartiklar på en miniatyriserad löpande linje.

Denna ökade hastighet kanske inte är den enda fördelen; en mer exakt kontroll av nanopartiklarnas storlek skulle kunna göra behandlingar mer effektiva. Forskarna testade lipidnanopartiklarna som producerades av deras enhet i en musstudie, visar att de kunde leverera terapeutiska RNA-sekvenser med fyra till fem gånger större aktivitet än de som tillverkats med konventionella metoder.

Studien leddes av Michael Mitchell, Skirkanich biträdande professor i innovation vid Penn Engineerings institution för bioteknik, och David Issadore, Docent vid Penn Engineerings institution för bioteknik, tillsammans med Sarah Shepherd, en doktorand i båda deras labb. Rakan El-Mayta, en forskningsingenjör i Mitchells labb, och Sagar Yadavali, en postdoktor i Issadores labb, bidrog också till studien.

De samarbetade med flera forskare vid Penns Perelman School of Medicine:postdoktorn Mohamad-Gabriel Alameh, Lili Wang, Forskningsdocent i medicin, James M. Wilson, Rose H. Weiss Center för föräldralösa sjukdomar, chefsprofessor vid institutionen för medicin, Claude Warzecha, en senior forskningsutredare i Wilsons labb, och Drew Weissman, Professor i medicin och en av de ursprungliga utvecklarna av tekniken bakom mRNA-vacciner.

Det publicerades i tidskriften Nanobokstäver .

"Vi tror att denna mikrofluidikteknik har potential att inte bara spela en nyckelroll i formuleringen av nuvarande COVID-vacciner, säger Mitchell, "men också för att potentiellt ta itu med det enorma behov som ligger framför oss när mRNA-teknologin expanderar till ytterligare klasser av terapi."

Befintliga tillverkningstekniker för mRNA-baserade vacciner använder datorstyrda pumpar och sprutor för att noggrant blanda två lösningar:en som innehåller önskat terapeutiskt mRNA och den andra med de oljiga lipiderna som kommer att kapsla in dem. Rätt timing och förhållanden är nyckeln för att producera användbara nanopartiklar, eftersom dessa faktorer i slutändan bestämmer nanopartiklarnas storlek och förmåga att inkapsla mRNA.

Med tiden av det väsentliga, Covid-vaccinproducenter valde dessa beprövade tekniker, snarare än att riskera förseningar från tidigare oprövad produktionsteknik.

"Om vi ​​inte har rätt blandningstid eller förhållanden, säger Shepherd, "Variabiliteten i lipidnanopartikelstrukturen kommer att hindra dess förmåga att överleva resan in i sina målceller. Även om vi har blivit väldigt bra på att bestämma den idealiska sammansättningen för en nanopartikel, vi behöver fortfarande utveckla nya produktionsmetoder för att formulera dem snabbt och konsekvent."

Herde, som arbetar i både Mitchells och Issadores labb, var i en perfekt position att leda en studie som tog upp båda sidor av detta problem. Mitchells labb använder materialvetenskap, kemi och beräkningsverktyg för att designa nya biomaterial som exakt kan leverera terapeutika – som lipidnanopartiklar – medan Issadores kombinerar element av mikroelektronik, mikrofluidik, nanomaterial och maskininlärning för att designa mikrofluidchip som kan tillverka dem.

"Vårt labb är alltmer intresserade av att använda mikrochips för att skapa exakta läkemedelsformuleringar för läkemedelsindustrin, ", säger Issadore. "Det har varit enormt mycket lovande i den här tekniken, men den framgångsrika översättningen till verkliga applikationer har varit sällsynt. Detta beror främst på den grundläggande fysiken som styr flödet av vätskor inneslutna i dessa chipss mikro- och nanoskaliga kanaler. Det betyder att deras genomströmning tenderar att vara så mycket som en miljon gånger långsammare än vad som är nödvändigt för kommersiella och kliniska tillämpningar."

Arbetar med Mitchells labb, såväl som med andra medarbetare som Daeyeon Lees grupp, forskarna har nyligen utvecklat en ny mikrofluidikmetod för att möta denna grundläggande utmaning. Denna plattformsteknik, kallad Very Large Scale Microfluidic Integration (VLSMI), tillåter tiotusentals mikrofluidiska enheter att inkorporeras i en enda tredimensionellt etsad kisel- och glasskiva.

Dessa parallelliserade blandningskanaler gör det möjligt för VLSMI att ha potentialen att uppnå de produktionshastigheter av liter per timme som krävs för vaccintillverkning. Flödesmotstånd säkerställer att varje blandningskanal får samma flödesförhållanden och förhållande mellan lipider och RNA över enheten, producerar enhetliga nanopartiklar som är avgörande för vaccin och terapeutiska tillämpningar.

"Vårt labb har tidigare använt en specialdesignad mikrofluidisk blandningsteknik för att formulera lipidnanopartiklar för mRNA-terapi och vacciner, " säger Mitchell. "Men, en begränsning för vår interna enhet var omfattningen av de lipidnanopartiklar som vi kunde producera. Vi skulle kunna göra tillräckligt med lipidnanopartiklar för att dosera små djur, men inte större djur och människor. VLSMI-metoden var mycket attraktiv för oss från tidigt, eftersom vi i princip skulle kunna integrera vår egen teknik i detta tillvägagångssätt så att vi kunde driva 128 av våra egna blandare parallellt."

När teamet hade designat en VLSMI-enhet som kan massproducera RNA-bärande lipidnanopartiklar, de behövde testa hur effektiva de var. Samarbetar med sina kollegor i Penn Medicine, de genomförde studier på möss med två olika typer av RNA-sekvenser, framställda antingen genom konventionell blandning eller deras VLSMI-metod. Den första, designad för att undertrycka produktionen av ett leverprotein med en liten interfererande RNA (siRNA)-sekvens, visade en fyrfaldig ökning av den önskade gentystnaden med VLSMI-nanopartiklarna. Den andra, designad för att producera ett fluorescerande markörprotein med en mRNA-sekvens, visade en femfaldig ökning jämfört med konventionell blandning.

Dessa resultat visar att VLSMI är en gångbar metod för att göra lipidnanopartiklar effektiva för användning i siRNA- och mRNA-baserade vacciner och terapier, men tekniken kommer att behöva fortsätta växa för att möta den kommande efterfrågan.

"COVID-vacciner är bara början på användningen av mRNA-teknik på kliniken, "Mitchell säger. "Utvecklingen av dessa vacciner kommer att bana väg för en ny våg av mRNA-genredigering och proteinersättningsterapi som kommer att revolutionera medicinen. Detta kommer att kräva uppskalning av att formulera mRNA i lipidnanopartiklar till oöverträffade nivåer. Vi ser fram emot att utöka denna proof-of-concept-teknologi med industripartners för att utveckla skalbara mRNA-lipid-nanopartiklar och vacciner."