Efter den globala covid-19-pandemin, framhävde utvecklingen och den snabba implementeringen av mRNA-vacciner den avgörande rollen för lipidnanopartiklar (LNP) i läkemedelssammanhang. Används som de väsentliga leveransmedlen för ömtåliga RNA-baserade terapier och vacciner, LNP:er skyddar RNA från nedbrytning och säkerställer effektiv leverans i kroppen.
Trots deras kritiska betydelse såg den storskaliga tillverkningen av dessa LNP många flaskhalsar under pandemin, vilket understryker behovet av skalbara produktionstekniker som kan hålla jämna steg med den globala efterfrågan.
Nu, i en artikel publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , beskriver forskare vid University of Pennsylvania hur Silicon Scalable Lipid Nanoparticle Generation-plattformen (SCALAR), en återanvändbar kisel- och glasbaserad plattform utformad för att transformera produktionslandskapet av LNP för RNA-terapi och -vacciner, erbjuder en skalbar och effektiv lösning för att utmaningarna som exponerades under covid-19-krisen.
"Vi är glada över att skapa ett stycke teknologiplattform som överbryggar klyftan mellan småskalig upptäckt och storskalig tillverkning inom området för RNA-lipid-nanopartikelvacciner och terapeutika", säger medförfattaren Michael Mitchell, docent i bioteknik i School of Engineering and Applied Science i Penn. "Genom att göra det har vi på ett effektivt sätt överskridit de klumpiga, tidskrävande och kostsamma barriärerna som bromsar produktionsuppgången av lovande nya RNA-läkemedel och vacciner."
Förvecklingarna med RNA-baserade terapier kräver att RNA:t är inkapslat i ett leveranssystem som kan navigera i kroppens biologiska hinder. LNP:er fyller denna roll, vilket gör att RNA:t kan nå de avsedda cellerna för maximal terapeutisk effekt. SCALAR strävar efter att ta detta ett steg längre, vilket möjliggör en aldrig tidigare skådad skalbarhet i tre storleksordningar i LNP-produktionshastigheter, vilket tar itu med flaskhalsarna i hastighet och konsistens som hindrar befintliga metoder.
Sarah Shepherd, den första författaren till uppsatsen och nyligen doktor. akademiker som arbetade i Mitchell Lab, säger:"Med SCALAR reagerar vi inte bara på dagens utmaningar utan förbereder oss proaktivt för morgondagens möjligheter och kriser. Denna teknik är flexibel, använder blandningsarkitekturer väldokumenterade inom mikrofluidik och är tillräckligt skalbar. att möta framtida krav i realtid Det är ett enormt steg framåt för fältet."
Shepherd säger att SCALAR bygger på tidigare arbete från Mitchell-labbet och är baserat på en mikrofluidisk chipplattform. I likhet med ett datorchip, där en dators elektriskt integrerade krets har många små transistorer som transporterar signaler som ettor eller nollor för att producera en utsignal, kontrollerar SCALAR-mikrochipset exakt deras två nyckelreagenser, lipider och RNA, för att generera LNP:er.
Dessutom kan deras plattform ha en, 10 eller 256 individuella blandningsenheter för att motsvara behoven av användningsfall, allt från småskalig läkemedelsscreening och utveckling, till medelstora formuleringar för in vivo-studier, till storskaliga formuleringar för kliniska tillämpningar.
För att säkerställa konsistens över skalor används samma mikrofluidiska blandningsarkitektur för alla enheter, och för att säkerställa att de två nyckelreagenserna är jämnt fördelade till varje enhet i arrayen, integrerade teamet mikrokanaler med hög vätskeresistens i designen för att följa tidigare etablerade designregler för storskaliga mikrofluidiska enheter. Detta garanterar att varje enhet i multi-unit arrayen producerar LNP:er med identiska fysiska egenskaper, ett nyckelattribut i den hårt reglerade läkemedelsindustrin.
"Vi är glada över att vi har kunnat använda rena rummet på Singh Center för att tillverka flerfunktionschips som tål den höga värmen och hårda lösningsmedel som behövs för att rengöra chipsen, vilket gör dem säkert återanvändbara", säger Shepherd.
SCALAR-chipsen är gjorda av kisel och glas, vilket ger flera fördelar jämfört med befintliga polymerbaserade plattformar. De förhindrar inte bara problem med materialläckage i samband med dessa plattformar, vilket leder till kontaminering, utan de tillåter också sterilisering vid extremt höga temperaturer, vilket gör dem idealiska för farmaceutiska tillämpningar. Dessutom kan plattformen återställas och återanvändas, vilket ger miljöfördelar och minskar de totala tillverkningskostnaderna.
Medan forskarna initialt använde SCALAR-plattformen för att formulera SARS-CoV-2 spikkodande mRNA LNP-vacciner, tror de att tillämpningarna är mycket bredare.
"Förutom att lösa ett aktuellt och kritiskt behov inom läkemedelsindustrin är Sarahs arbete en virtuos kombination av mikrotillverkning, mikrofluid- och lipid-nanopartikelteknologier", säger medförfattaren David Issadore, professor i bioteknik vid School of Engineering and Applied Science på Penn. "Det finns väldigt få studenter som kunde ha lyckats med något så ambitiöst i tidslinjen för en doktorsexamen."
"Denna teknik har potential att bli en hörnsten inom nanomedicin, bortom RNA-baserade terapier," säger Mitchell. "Skalbarheten och anpassningsförmågan hos SCALAR-chipsen kan mycket väl göra dem till den schweiziska armékniven i RNA-lipid-nanopartiklarna för läkemedelstillverkning."
Mer information: Sarah J. Shepherd et al, Genomströmningsskalbar tillverkning av SARS-CoV-2 mRNA-lipidnanopartikelvacciner, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2303567120
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Pennsylvania
