Nukleinsyrabaserade läkemedel som mRNA-vacciner erbjuder en enorm potential för medicin och öppnar upp för nya terapeutiska metoder. Dessa aktiva ingredienser måste vara inneslutna inuti nanopartiklar för att säkerställa att de kommer dit de behövs inuti kroppens celler.
Fraunhofer Institute for Production Systems and Design Technology IPK och FDX Fluid Dynamix GmbH har arbetat tillsammans för att utveckla en teknologiplattform för produktion av nanopartiklar som kan uppnå partikelkvalitet och stabilitet på nivåer som tidigare var utom räckhåll:FDmiX, förkortning för Fraunhofer Dynamic Mixing Technologies . Det schweiziska kemi- och läkemedelsföretaget Lonza har nu licensierat tekniken för sin egen produktion av god tillverkningssed (GMP).
RNA och DNA, båda nukleinsyror, finns inte bara i celler; de kan också vara komponenter i mediciner. Ett vanligt exempel som är allmänt känt från coronavirus-pandemin är mRNA-vacciner.
Läkare över hela världen är mycket hoppfulla om nukleinsyrabaserade aktiva ingredienser, som erbjuder potential som terapier för sjukdomar som tidigare var svåra att behandla, inklusive vissa former av cancer. Att säkert och effektivt transportera dessa känsliga nukleinsyror till cellerna, där budskapen de bär kan översättas till proteiner, har hittills visat sig vara en betydande utmaning.
Ett skyddande hölje behövs för att få in den känsliga aktiva ingrediensen i cellerna. Dessa nanopartiklar produceras med hjälp av vätskeblandningsprocesser. Mycket grundlig, snabb blandning är nödvändig för att framställa partiklar av erforderlig kvalitet. Infallande jetblandare (även kända som T-blandare eller Y-blandare) finns tillgängliga för industriella tillämpningar. De möjliggör hög genomströmning, men på bekostnad av blandningskvalitet.
I Fraunhofer Dynamic Mixing Technologies (FDmiX)-plattformen har Fraunhofer IPK och FDX Fluid Dynamix GmbH lyckats överbrygga klyftan mellan blandningskvalitet och genomströmning. FDmiX-plattformen möjliggör konsekvent hög blandningskvalitet i alla skala, från labbet upp till massproduktion. Den har redan framgångsrikt klarat tester som syftar till produktion av lipid- och polymernanopartiklar och av nanoemulsioner.
Som omfattande tester har visat är blandningskvaliteten hos FDmiX-teknologiplattformen överlägsen de system som har varit tillgängliga hittills, vilket möjliggör produktion av partiklar på tidigare ouppnåeliga kvalitetsnivåer.
Systemet är också imponerande när det gäller sin skalningsförmåga, eftersom inkapsling kan ske med volymströmmar från 5 ml/min till 1,5 l/min utan att partikelegenskaperna påverkas.
Lonza, en global utvecklings- och produktionspartner till marknaderna för läkemedel, bioteknik och neutraceuticals, har licensierat den patenterade FDmiX-teknologin och använder den redan.
"Mänskliga celler försvarar sig mot främmande genetiskt material. Det är därför de aktiva mRNA-ingredienserna måste inneslutas inuti nanopartiklar. Så partiklarna fungerar som ett skyddande hölje och kapslar in ämnet tills det har kommit in i cellen inuti kroppen", säger Christoph Hein. chef för divisionen Ultra- och High-precision Technology på Fraunhofer IPK i Berlin.
För att kunna producera nanopartiklarna måste den aktiva ingrediensen löst i en buffert blandas med en annan lösning, till exempel en lipidlösning. När de två vätskorna har kombinerats bildas lipidnanopartiklar som i sin tur bildar ett lipidhölje runt den aktiva ingrediensen.
"Med FDmiX-plattformen kan vi producera betydligt mindre och mer homogena partiklar och till och med justera deras storlek. FDmiX låter oss producera blandningar med en tidigare ouppnåelig nivå av homogenitet med mycket korta blandningstider. Det är relevant eftersom blandningskvaliteten inte bara avgör kvaliteten av nanopartiklarna, men i slutändan också hur effektiva de är."
Men hur kan en hög och jämn blandningskvalitet kombineras med genomströmning? Mittpunkten i FDmiX-plattformen är ett OsciJet-munstycke från FDX Fluid Dynamix GmbH.
Inuti munstycket är en vätskestråle placerad på en av sidorna av huvudkammaren. Innan munstycket lämnas avleds en liten del av strålen till en sidokanal. I slutet av sidokanalen möter den huvudstrålen igen och skjuter den till andra sidan. Detta gör att huvudstrålen oscillerar kontinuerligt från den ena sidan till den andra med hög frekvens.
På detta sätt möter strålen av lipidlösning som oscillerar genom munstycket strömmen av den aktiva mRNA-ingrediensen i en vinkelrät vinkel, vilket skapar en homogen blandning med nanopartiklar av enhetlig storlek.
I tester av konventionella imping-blandare (även kända som T-blandare eller Y-blandare) kolliderar däremot lipidlösningen och mRNA:s aktiva ingrediens innan de flyter samman genom samma kanal. Detta skapar en dynamisk virvel, vilket resulterar i inhomogena partiklar av lägre kvalitet.
"I inkapslingstester på mRNA i lipidnanopartiklar med olika blandare och flödeshastigheter genererade FDmiX mindre partiklar med betydligt lägre storleksfördelning jämfört med en T-blandare vid samma flödeshastighet", förklarar Hein.
I tester producerade projektpartnerna nanopartiklar som var cirka 10 % till 20 % mindre än de som producerades med en T-mixer. De hade också betydligt mindre storleksfördelning och hög inkapslingseffektivitet och partikelintegritet.
Stora mängder nanopartiklar behövs under den kliniska fasen och det efterföljande produktionsskedet. Även här är tekniken från Fraunhofer IPK och FDX Fluid Dynamix GmbH imponerande:De två projektpartnerna utvecklade och testade blandare för olika tryck och flödeshastigheter. De minsta blandarna (FDmiX XS) kan arbeta med flödeshastigheter under 5 milliliter per minut, medan de största (FDmiX XL) kan arbeta med mer än 1,5 liter per minut.
Nanopartiklarna som produceras på detta sätt kan användas för ett brett spektrum av tillämpningar, långt bortom inkapsling av mRNA och stabilisering av vacciner.
Till exempel kan denna teknik även användas inom kardiologi för beläggning av hjärtkateter. När en ballongkateter expanderas under en undersökning absorberas nanopartiklar i artärväggen, vilket förhindrar att nya avlagringar bildas där. Detta kan hjälpa till att förhindra stenos eller förträngning av blodkärlen.
Nanopartiklar används också i tumörterapi, och molekylerna kan också vara till hjälp vid behandling av neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers och andra former av demens.
Tillhandahålls av Fraunhofer-Gesellschaft
