A full-flow microfluidic platform for synthesis, purification and concentrating of lipid nanoparticles (LNPs)

ثورة نظام التوصيل المتناهي الصغر

تخيل أن جسدك عبارة عن مدينة صاخبة وعالية التأمين. أحيانًا، تحتاج هذه المدينة إلى تعليمات خاصة — مخططات هندسية متناهية الصغر مصنوعة من مواد جينية مثل mRNA أو siRNA — لإصلاح مصباح شارع مكسور، أو إيقاف فيروس، أو إعادة برمجة خلية. لكن هذه المخططات هشة للغاية؛ فإذا قمت برميها ببساطة في مجرى الدم، فستقوم قوات الأمن في المدينة بتمزيقها قبل أن تصل إلى وجهتها. ولحل هذه المشكلة، يستخدم العلماء "الجسيمات النانوية الدهنية" (LNPs). فكر في هذه الجسيمات كأنها مغلفات فقاعية (bubble-wrap) صغيرة ذاتية التجميع مصنوعة من الدهون. إنها تغلف التعليمات الجينية الهشة، وتحميها في رحلتها، وتساعدها على التسلل عبر الأمن لتوصيل الرسالة تمامًا حيث يلزم.

ومع ذلك، فإن صنع هذه المغلفات المجهرية يشبه حاليًا محاولة بناء مليون منها يدويًا في مطبخ فوضوي. يتطلب الأمر خلط المكونات بسرعة البرق، وغسل البقايا الفوضوية، وتركيز المواد الجيدة، كل ذلك مع الحفاظ على تعقيم كل شيء. إذا نقلت الخليط من وعاء إلى آخر، فإنك تخاطر بالتلوث، وإذا لم يكن الخلط مثاليًا، فستنتهي المغلفات بأحجام مختلفة أو ستكون مسربة. السؤال الكبير في هذا الركن من العلم هو: هل يمكننا بناء آلة تقوم بكل هذه الخطوات تلقائيًا، في تدفق مستمر واحد، لصنع مغلفات جسيمات نانوية مثالية ومتطابقة في كل مرة؟

المتجر الشامل للجسيمات النانوية

في هذا البحث، نجح فريق من العلماء من جامعة تيانجين وشركة Asymchem Life Science في بناء ذلك بالضبط: منصة مائيات دقيقة "كاملة التدفق". تخيل خط تجميع في مصنع حيث تدخل المواد الخام من طرف، وتُخلط، وتُغسل، وتُعبأ، ثم يخرج المنتج النهائي من الطرف الآخر دون أن تلمسه الأيدي البشرية أو يُنقل بين حاويات مختلفة. هذا هو ما حققه الفريق للجسيمات النانوية الدهنية (LNPs).

ينقسم النظام إلى ثلاث محطات رئيسية، متصلة جميعها بأنابيب دقيقة. أولاً، تعمل وحدة الخلط (Mixing Module) مثل خلاط عالي السرعة. هنا، يتم صدم الدهون المذابة في الكحول مع المادة الجينية المذابة في الماء بقوة. تم تصميم الشريحة بقنوات حلزونية تخلق دوامات صغيرة، مما يخلط السائلين في غضض من الثانية — أسرع من طرفة عين. هذا الخلط السريع أمر بالغ الأهمية لأنه يجبر الدهون على التجمع ذاتيًا حول المادة الجينية قبل أن تصاب بالارتباك أو تتكتل.

بعد ذلك، يتدفق الخليط إلى وحدة التخفيف (Dilution Module). فكر في هذه المحطة كأنها محطة "تبريد". لا يزال الخليط حامضيًا جدًا ومليئًا بالكحول لدرجة لا تسمح للجسيمات النانوية الدقيقة بالبقاء على المدى الطويل. هنا، يتم إضافة محلول منظم (buffer) لمعادلة الرقم الهيدروجيني (pH) وغسل الكحول، مما يؤدي إلى استقرار الجسيمات النانوية والحفاظ على شكلها.

أخيرًا، يدخل التيار إلى وحدة ما بعد المعالجة (Post-Processing Module)، والتي تستخدم نظام ترشيح ذكي يسمى "الترشيح التدفيقي المماسي أحادي المرور" (SPTFF). بد بدلًا من إعادة تدوير السائل ذهابًا وإيابًا (مما قد يتلف الجسيمات النانوية)، يتدفق المحلول عبر سلسلة من المرشحات لمرة واحدة فقط. تعمل هذه المرشحات مثل المنخل الذي يسمح لجزيئات الكحول الصغيرة والمادة الجينية الحرة غير الضرية بالانسياب بعيدًا، بينما تحجز وتُركز الجسيمات النانوية الثمينة. والنتيجة هي دفعة نظيفة ومركزة من الجسيمات النانوية الجاهزة للاستخدام.

ما وجدوه

اختبر الفريق هذا النظام باستخدام نوع محدد من الـ LNP المصمم لحمل دواء يسمى "باتيسييران" (patisiran). واكتشفوا أنه من خلال رفع معدل التدفق ببساطة — أي جعل السوائل تتحرك بشكل أسرع عبر الشريحة — يمكنهم التحكم في حجم الجسيمات النانوية. عندما كان التدفق أسرع، كان الخلط أكثر كثافة، مما نتج عنه جسيمات نانوية أصغر وأكثر تجانسًا. على سبيل المثال، أدى زيادة إجمالي معدل التدفق من 20 مل/ساعة إلى 60 مل/ساعة إلى تقليص متوسط حجم الجسيمات من حوالي 121 نانومتر إلى 83 نانومتر تقريبًا. اتبعت الأحجام نمطًا يمكن التنبؤ به، حيث تجمعت بانتظام حول متوسط معين، تمامًا كما يشبه معظم الناس في الحشد طولهم المتوسط.

كان أحد أكثر الاكتشافات إثارة هو التحسن في الكفاءة. قبل خطوة الترشيح النهائية، كانت الجسيمات النانوية تحبس حوالي 85.7% من المادة الجينية. ولكن بعد المرور عبر نظام SPTFF، الذي أزال المواد السائبة غير المغلفة، قفزت الكفاءة إلى نسبة مذهلة بلغت 98.7%. يشير هذا إلى أن النظام لا يصنع الجسيمات النانوية فحسب، بل ينقيها أيضًا وفق معيار مناسب للتركيبات الطبية عالية المستوى.

كما طور الباحثون طريقة "ذكية" لمراقبة العملية. بما أن الخلط يحدث بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن رؤيته بالعين المجردة، فقد استخدموا كاميرا ونموذج ذكاء اصطناعي (AI) لمراقبة تدفق السائل. ومن خلال تحليل كيفية انعكاس الضوء عبر الخليط، استطاع الذكاء الاصطناعي تحديد ما إذا كان الخلط "جيدًا" أو "سيئًا" بدقة تزيد عن 93%، مما يضمن أن العملية تسير بشكل مثالي دون الحاجة إلى إضافة أي صبغات كيميائية قد تلوث المنتج النهائي.

الخلاصة

تثبت هذه الورقة البحثية أنه من الممكن تصنيع وتنقية وتركيز الجسيمات النانوية الدهنية في أقل من 15 دقيقة باستخدام نظام متكامل وآلي بالكامل. ومن خلال إلغاء الحاجة إلى نقل السوائل بين الحاويات المختلفة، تنخفض مخاطر التلوث بشكل كبير. تشير الدراسة إلى أنه من خلال التحكم الدقيق في معدلات التدفق والتركيزات، يمكن للعلماء إنتاج جسيمات نانوية دهنية بأحجام دقيقة وكفاءة تغليف عالية للغاية. وبينما تركز الورقة على النجاح التقني لهذه المنصة، فإنها تسلط الضوء على خطوة مهمة نحو جعل إنتاج هذه العلاجات الجينية المنقذة للحياة أسرع وأنظف وأكثر موثوقية للاستخدام الطبي المستقبلي.