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

नन्ही डिलीवरी प्रणाली की क्रांति

कल्पना कीजिए कि आपका शरीर एक हलचल भरा, उच्च-सुरक्षा वाला शहर है। कभी-कभी, इस शहर को विशेष निर्देशों की आवश्यकता होती—जैसे mRNA या siRNA से बने आनुवंशिक पदार्थ के नन्हे ब्लूप्रिंट—ताकि एक टूटी हुई स्ट्रीटलाइट को ठीक किया जा सके, किसी वायरस को रोका जा सके, या किसी कोशिका को पुनर्गठित किया जा सके। लेकिन ये ब्लूप्रिंट अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते; यदि आप उन्हें बस रक्तप्रवाह में फेंक देते हैं, तो वे अपने गंतव्य तक पहुँचने से पहले ही शहर के सुरक्षा बलों द्वारा नष्ट कर दिए जाते हैं। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक "लिपिड नैनोपार्टिकल्स" (LNPs) का उपयोग करते हैं। LNPs को वसा से बने नन्हे, स्वयं-संयोजन करने वाले बबल-रैप लिफाफों के रूप में समझें। वे नाजuk आनुवंशिक निर्देशों के चारों ओर लिपट जाते हैं, उनकी यात्रा के दौरान उनकी रक्षा करते हैं और उन्हें संदेश को ठीक वहीं पहुँचाने में मदद करते हैं जहाँ इसकी आवश्यकता होती है, ताकि वे सुरक्षा से बचकर निकल सकें।

हालाँकि, इन सूक्ष्म लिफाफों को बनाना वर्तमान में एक अराजक रसोई में हाथ से लाखों लिफाफे बनाने की कोशिश करने जैसा है। इसके लिए सामग्रियों को बिजली की गति से मिलाने, कचरे को धोने और अच्छी चीजों को केंद्रित करने की आवश्यकता होती है, और यह सब करते समय सब कुछ कीटाणुरहित रखना होता है। यदि आप मिश्रण को एक कटोरे से दूसरे कटोरे में ले जाते हैं, तो संदूषण का खतरा रहता है, और यदि मिश्रण एकदम सही नहीं है, तो लिफाफे अलग-अलग आकार के या लीक होने वाले बन सकते हैं। यह प्रक्रिया को धीमा, महंगा और असंगत बनाता है। विज्ञान के इस कोने में बड़ा सवाल यह है: क्या हम एक ऐसी मशीन बना सकते हैं जो इन सभी चरणों को स्वचालित रूप से, एक निरंतर प्रवाह में, करके हर बार सटीक, समान नैनोपार्टिकल लिफाफे बना सके?

नैनोपार्टिकल्स के लिए वन-स्टॉप शॉप

इस शोध में, टियांजिन विश्वविद्यालय और एसिमकेम लाइफ साइंस के वैज्ञानिकों की एक टीम ने बिल्कुल वही बनाया है: एक "फुल-फ्लो" माइक्रोफ्लुइडिक प्लेटफॉर्म। एक फैक्ट्री असेंबली लाइन की कल्पना करें जहाँ कच्चा माल एक छोर से प्रवेश करता है, मिश्रित होता है, धोया जाता है, और पैक किया जाता है, और तैयार उत्पाद बिना किसी मानवीय स्पर्श या विभिन्न कंटेनरों के बीच स्थानांतरित हुए दूसरे छोर से बाहर निकलता है। टीम ने लिपिड नैनोपार्टिकल्स (LNPs) के लिए यही हासिल किया है।

यह प्रणाली तीन मुख्य स्टेशनों में विभाजित है, जो छोटी नलियों द्वारा जुड़े हुए हैं। सबसे पहले, मिक्सिंग मॉड्यूल एक हाई-स्पीड ब्लेंडर की तरह कार्य करता है। यहाँ, अल्कोहल में घुले हुए लिपिड्स और पानी में घुले हुए आनुवंशिक पदार्थ को आपस में टकराया जाता है। चिप को सर्पिल चैनलों (spiral channels) के साथ डिज़ाइन किया गया है जो छोटे भंवर पैदा करते हैं, जिससे दोनों तरल पदार्थ मिलीसेकंड में—पलक झपकने से भी तेज़—मिश्रित हो जाते हैं। यह तीव्र मिश्रण महत्वपूर्ण है क्योंकि यह लिपिड्स को आनुवंशिक सामग्री के आसपास खुद को व्यवस्थित करने के लिए मजबूर करता है, इससे पहले कि वे भ्रमित हों या गुच्छे बना लें।

इसके बाद, मिश्रण डाइल्यूशन मॉड्यूल में प्रवाहित होता है। इसे एक "कूलिंग डाउन" स्टेशन के रूप में समझें। मिश्रण अभी भी बहुत अम्लीय है और इसमें अल्कोहल की मात्रा बहुत अधिक है, जिससे नाजुक नैनोपार्टिकल्स लंबे समय तक जीवित नहीं रह पाएंगे। यहाँ, नैनोपार्टिकल्स को स्थिर करने और उनके आकार को बनाए रखने के लिए, pH को बेअसर करने और अल्कोहल को धोने के लिए एक बफर समाधान मिलाया जाता है।

अंत में, धारा पोस्ट-प्रोसेसिंग मॉड्यूल में प्रवेश करती है, जो सिंगल-पास टेंजेंशियल फ्लो फिल्ट्रेशन (SPTFF) नामक एक चतुर फिल्ट्रेशन सिस्टम का उपयोग करती है। तरल को बार-बार वापस घुमाने के बजाय (जो नैनोपार्टिकल्स को नुकसान पहुँचा सकता है), समाधान केवल एक बार फिल्टरों की एक श्रृंखला से गुजरता है। ये फिल्टर एक छलनी की तरह काम करते हैं जो छोटे अल्कोहल अणुओं और अनावश्यक मुक्त-तैरते आनुवंशिक पदार्थ को बह जाने देते हैं, जबकि कीमती LNPs को रोककर उन्हें केंद्रित करते हैं। परिणाम एक साफ, केंद्रित नैनोपार्टिकल बैच है जो उपयोग के लिए तैयार है।

उन्होंने क्या पाया

टीम ने इस प्रणाली का परीक्षण एक विशिष्ट प्रकार के LNP का उपयोग करके किया जिसे 'पैटिसिरन' (patisiran) नामक दवा ले जाने के लिए डिज़ाइन किया गया था। उन्होंने पाया कि केवल प्रवाह दर (flow rate) बढ़ाकर—यानी चिप के माध्यम से तरल पदार्थों को तेज़ी से चलाकर—वे नैनोपार्टिकल्स के आकार को नियंत्रित कर सकते थे। जब प्रवाह तेज़ था, तो मिश्रण अधिक तीव्र था, जिसके परिणामस्वरूप छोटे और अधिक समान नैनोपार्टिकल्स प्राप्त हुए। उदाहरण के लिए, कुल प्रवाह दर को 20 ml/h से बढ़ाकर 60 ml/h करने से औसत कण का आकार लगभग 121 nm से घटकर लगभग 83 nm रह गया। आकार एक अनुमानित पैटर्न का पालन करते थे, जो एक औसत के इर्द-गिर्द व्यवस्थित थे, ठीक वैसे ही जैसे भीड़ में अधिकांश लोग औसत ऊंचाई के करीब होते हैं।

सबसे रोमांचक निष्कर्षों में से एक दक्षता में सुधार था। अंतिम फिल्ट्रेशन चरण से पहले, नैनोपार्टिकल्स ने आनुवंशिक सामग्री का लगभग 85.7% हिस्सा सुरक्षित रखा था। लेकिन SPTFF सिस्टम से गुजरने के बाद, जिसने ढीले, बिना लिपटे हुए पदार्थ को हटा दिया, दक्षता बढ़कर प्रभावशाली 98.7% हो गई। यह सुझाव देता है कि यह प्रणाली न केवल नैनोपार्टिकल्स बनाती है; बल्कि यह उन्हें उच्च-स्तरीय चिकित्सा फॉर्मूलेशन के योग्य स्तर तक शुद्ध भी करती है।

शोधकर्ताओं ने प्रक्रिया की निगरानी करने के लिए एक "स्मार्ट" तरीका भी विकसित किया। चूंकि मिश्रण इतनी तेज़ी से होता है कि उसे नग्न आंखों से देखना असंभव है, इसलिए उन्होंने एक कैमरे और एक AI (आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस) मॉडल का उपयोग किया। मिश्रण के माध्यम से प्रकाश के चमकने के तरीके का विश्लेषण करके, AI 93% से अधिक सटीकता के साथ बता सका कि मिश्रण "अच्छा" था या "बुरा", जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि प्रक्रिया बिना किसी रासायनिक डाई (जो अंतिम उत्पाद को दूषित कर सकती है) के पूरी तरह से सही चल रही है।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करता है कि एक पूरी तरह से एकीकृत, स्वचालित प्रणाली का उपयोग करके 15 मिनट से भी कम समय में लिपिड नैनोपार्टिकल्स का संश्लेषण, शुद्धिकरण और एकाग्रता करना संभव है। तरल पदार्थों को विभिन्न कंटेनरों के बीच स्थानांतरित करने की आवश्यकता को हटाकर, संदूषण का जोखिम काफी कम हो जाता है। अध्ययन बताता है कि प्रवाह दरों और सांद्रता को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वैज्ञानिक सटीक आकार और अत्यंत उच्च एनकैप्सुलेशन दक्षता के साथ LNPs का उत्पादन कर सकते हैं। हालांकि यह शोध पत्र इस प्लेटफॉर्म की तकनीकी सफलता पर ध्यान केंद्रित करता है, यह भविष्य के चिकित्सा उपयोग के लिए इन जीवन रक्षक जेनेटिक उपचारों के उत्पादन को तेज़, स्वच्छ और अधिक विश्वसनीय बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।