En ny teknik som utvecklats tillsammans vid EMBL Hamburg ger nya insikter om mRNA-läkemedel och andra nanoläkemedel, vilket kan vara till hjälp för utvecklingen av nya produkter
Messenger RNA (mRNA) nanomediciner, en banbrytande teknologi som har lett till utvecklingen av det första godkända covid-19-vaccinet, erkändes nyligen av Nobelpriset i medicin eller fysiologi. Men mRNA:s potential för farmaceutisk tillämpning förväntas gå mycket längre än detta – det kan öppna nya möjligheter för behandling och förebyggande av sjukdomar, såsom virus- och bakterieinfektioner, cancer, hjärt-kärlsjukdomar och inflammatoriska och autoimmuna sjukdomar. Det skulle också kunna förändra det stora fältet av interventioner av terapeutiska proteiner.
Många nya mRNA-nanomediciner, som för närvarande befinner sig i olika utvecklingsstadier, kan bli tillgängliga i framtiden. Ett krav för alla tillämpningar av mRNA i farmaceutiska produkter är att de måste formuleras i lämpliga leveranssystem, vart och ett utformat för olika funktioner och optimerat för terapeutiska produktbehov baserat på den avsedda användningen och leveransvägen.
Lipidbaserade nanopartiklar är små droppar av fettliknande molekyler som fungerar som skyddande förpackning för mRNA. Deras egenskaper beror på sammansättning, struktur, tillverkningsprotokoll och andra förhållanden.
En viktig aspekt av nanopartiklar är deras storlek. Till sin natur kan nanopartiklar variera lite i storlek, vissa är lite mindre och andra lite större än medelvärdet. Partikelstorleken kan ha inverkan på t.ex. stabiliteten och beteendet hos formuleringarna efter administrering. Det är därför viktigt att kontrollera partikelstorleken inuti en läkemedelsprodukt för att utvärdera och säkerställa dess kvalitet.
Forskare vid EMBL Hamburg, Johannes Gutenberg University Mainz, Postnova Analytics GmbH och BioNTech SE har utvecklat en ny metod för att exakt belysa storleken på alla partiklar i sådana läkemedelsprodukter, såväl som deras struktur och hur många RNA-molekyler de bär inuti dem. Studien genomfördes baserad på lipoplexformuleringar, en mRNA-levererande teknologi utvecklad av BioNTech. Arbetet publiceras i tidskriften Scientific Reports .
"Hittills har det varit mycket svårt att mäta alla dessa storleksrelaterade egenskaper; därför bestämdes ofta bara medelvärden", säger Heinrich Haas, en av ledarna för projektet. "Med vår nya metod kan vi bestämma många storleksrelaterade egenskaper på en gång, med en enda mätning och för alla nanopartiklar i en produkt. Denna information kan vara praktisk för att utvärdera produktkvalitet."
Metoden kommer även att vara tillämpbar för undersökning av andra läkemedel.
"Liposomer är en annan typ av farmaceutiska nanopartiklar som har använts i flera år för behandling av cancer eller infektionssjukdomar som svampinfektioner", säger Peter Langguth, projektledare vid Johannes Gutenberg University Mainz.
"Nu finns till och med generiska liposomprodukter tillgängliga på marknaden, och förmodligen kommer det att komma fler. Den nya metoden kan vara mycket användbar för att utvärdera kvaliteten på dessa generika i jämförelse med originalprodukterna och kommer att bana väg för ytterligare hög- kvalitetsläkemedel till en ännu mer rimlig kostnad."
Det som gör den nya metoden så kraftfull är att den kopplar två tekniker:asymmetrisk flödesfältflödesfraktionering (AF4) och liten vinkelröntgenspridning (SAXS). AF4 separerar lipidbaserade nanopartiklar från andra delar av en mRNA-nanomedicin och sorterar dem efter deras storlek.
SAXS låter forskare bestämma strukturen och antalet sorterade partiklar. För att göra detta otvetydigt måste bara en typ av partikel analyseras åt gången, varför det är så viktigt att kombinera sortering och mätning.
SAXS är en av nyckelteknikerna som tillämpas och är tillgänglig på EMBL Hamburg som en tjänst för forskare från akademi och industri i och utanför Europa. EMBL Hamburgs SAXS-strållinje vid PETRA III-synkrotronen, nu utrustad med AF4-enheten – inrättad med hjälp av medarbetare på Postnova Analytics GmbH – kommer att öppna upp nya möjligheter inte bara för att studera farmaceutiska nanopartiklar, utan även för andra typer av forskning.
"Kombinationen av dessa två verktyg kan nu användas inom många olika vetenskapsområden", säger Melissa Graewert, personalforskare vid EMBL Hamburg.
"Förutom att hjälpa till att skapa nya läkemedel kan vi också använda dem för att förstå hur olika stora partiklar interagerar i komplexa biologiska system. Till exempel har jag nu använt den här nya uppsättningen för att noggrant undersöka hur mycket små plastskräp kallas nanoplaster, vilket förorenar vårt vatten, kan täckas av bindande proteiner på deras yta. En nyckelfråga är om denna proteinskyddning gör det möjligt för nanoplaster att färdas genom vår blodomlopp och eventuellt nå olika organ, eftersom de kanske inte längre känns igen som främmande föremål av vårt immunsystem. "
Detta arbete följer upp flera tidigare samarbetsstudier mellan EMBL Hamburg, BioNTech SE och Johannes Gutenberg University Mainz, som undersökte hur mRNA bättre kan formuleras och levereras till mänskliga celler. Forskarna fortsätter sin samarbetsforskning för att ytterligare utforska tillämpningen av mRNA nanomediciner.
Mer information: Melissa A. Graewert et al, Kvantitativ storleksupplöst karakterisering av mRNA-nanopartiklar genom in-line koppling av asymmetriskt flödesfältflödesfraktionering med liten vinkelröntgenspridning, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-42274-z
Journalinformation: Vetenskapliga rapporter
Tillhandahålls av European Molecular Biology Laboratory
