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

La rivoluzione del sistema di consegna microscopico

Immaginate il vostro corpo come una città frenetica e ad alta sicurezza. A volte, questa città ha bisogno di istruzioni speciali — minuscoli progetti fatti di materiale genetico come l'mRNA o l'siRNA — per riparare un lampione rotto, fermare un virus o riprogrammare una cellula. Ma questi progetti sono incredibilmente fragili; se li lanciaste semplicemente nel flusso sanguigno, verrebbero fatti a pezzi dalle forze di sicurezza della città prima ancora di raggiungere la destinazione. Per risolvere questo problema, gli scienziati utilizzano i "Nanoparticelle Lipidiche" (LNP). Pensate alle LNP come a minuscole buste di pluriball che si auto-assemblano, fatte di grasso. Avvolgono le fragili istruzioni genetiche, proteggendole durante il viaggio e aiutandole a passare furtivamente oltre la sicurezza per consegnare il messaggio esattamente dove è necessario.

Tuttavia, produrre queste buste microscopiche è attualmente un po' come cercare di costruirne un milione a mano in una cucina caotica. Richiede di mescolare gli ingredienti a una velocità fulminea, lavare via i residui disordinati e concentrare la parte buona, il tutto mantenendo l'ambiente sterile. Se spostate la miscela da una ciotola all'altra, rischiate la contaminazione, e se la miscelazione non è perfetta, le buste finiranno per avere dimensioni diverse o per essere perdenti. Questo rende il processo lento, costoso e incoerente. La grande domanda in questo angolo della scienza è: possiamo costruire una macchina che esegua tutte queste fasi automaticamente, in un unico flusso continuo, per creare buste di nanoparticelle perfette e identiche ogni singola volta?

Il negozio "tutto in uno" per le nanoparticelle

In questa ricerca, un team di scienziati della Tianjin University e di Asymchem Life Science ha costruito esattamente questo: una piattaforma microfluidica a "flusso completo". Immaginate una linea di montaggio di una fabbrica dove le materie prime entrano da un lato, vengono mescolate, lavate e confezionate, e il prodotto finito esce dall'altro senza mai essere toccato da mani umane o spostato tra diversi contenitori. Questo è ciò che il team ha ottenuto per le Nanoparticelle Lipidiche (LNP).

Il sistema è diviso in tre stazioni principali, tutte collegate da tubicini. In primo luogo, il Modulo di Miscelazione agisce come un frullatore ad alta velocità. Qui, i lipidi sciolti in alcol e il materiale genetico sciolto in acqua vengono scontrati con forza. Il chip è progettato con canali a spirale che creano piccoli vortici, mescolando i due liquidi in soli pochi millisecondi — più velocemente di un battito di ciglia. Questa miscelazione rapida è cruciale perché costringe i lipidi ad auto-assemblarsi attorno al materiale genetico prima che possano confondersi o raggrupparsi in modo disordinato.

Successivamente, la miscela fluisce nel Modulo di Diluizione. Pensate a questo come a una stazione di "raffreddamento". La miscela è ancora troppo acida e troppo ricca di alcol perché le delicate nanoparticelle possano sopravvivere a lungo termine. Qui, viene aggiunta una soluzione tampone per neutralizzare il pH e lavare via l'alcol, stabilizzando le nanoparticelle affinché mantengano la loro forma.

Infine, il flusso entra nel Modulo di Post-Processing, che utilizza un intelligente sistema di filtrazione chiamato Filtrazione Tangenziale a Passaggio Singolo (SPTFF). Invece di far ricircolare il liquido avanti e indietro (il che può danneggiare le nanoparticelle), la soluzione scorre attraverso una serie di filtri una sola volta. Questi filtri agiscono come un setaccio che lascia che le piccole molecole di alcol e il materiale genetico libero non necessario vengano lavati via, intrappolando e concentrando al contempo le preziose LNP. Il risultato è un lotto pulito e concentrato di nanoparticelle pronto per l'uso.

Cosa hanno scoperto

Il team ha testato questo sistema utilizzando un tipo specifico di LNP progettato per trasportare un farmaco chiamato patisiran. Hanno scoperto che, semplicemente aumentando la velocità di flusso — facendo muovere i liquidi più velocemente attraverso il chip — potevano controllare la dimensione delle nanoparticelle. Quando il flusso era più veloce, la miscelazione era più intensa, producendo nanoparticelle più piccole e uniformi. Ad esempio, aumentando la velocità di flusso totale da 20 ml/h a 60 ml/h, la dimensione media delle particelle è diminuita da circa 121 nm a circa 83 nm. Le dimensioni seguivano un modello prevedibile, raggruppandosi ordinatamente attorno a una media, proprio come la maggior parte delle persone in una folla è vicina all'altezza media.

Uno dei risultati più entusiasmanti è stato il miglioramento dell'efficienza. Prima della fase finale di filtrazione, le nanoparticelle intrappolavano circa l'85,7% del materiale genetico. Ma dopo il passaggio attraverso il sistema SPTFF, che ha rimosso il materiale sciolto e non incapsulato, l'efficienza è balzata a un impressionante 98,7%. Ciò suggerisce che il sistema non si limita a creare le nanoparticelle; le purifica fino a uno standard adatto per formulazioni mediche di alto livello.

I ricercatori hanno anche sviluppato un modo "intelligente" per monitorare il processo. Poiché la miscelazione avviene troppo velocemente per essere vista a occhio nudo, hanno utilizzato una telecamera e un modello di IA (Intelligenza Artificiale) per osservare il flusso del liquido. Analizzando come la luce brillava attraverso la miscela, l'IA poteva determinare se la miscelazione fosse "Buona" o "Cattiva" con un'accuratezza superiore al 93%, garantendo che il processo funzionasse perfettamente senza la necessità di aggiungere coloranti chimici che potrebbero contaminare il prodotto finale.

In sintesi

Questo articolo dimostra che è possibile sintetizzare, purificare e concentrare nanoparticelle lipidiche in meno di 15 minuti utilizzando un sistema completamente integrato e automatizzato. Eliminando la necessità di trasferire i liquidi tra diversi contenitori, il rischio di contaminazione è notevolmente ridotto. Lo studio suggerisce che, controllando attentamente le velocità di flusso e le concentrazioni, gli scienziati possono produrre LNP con dimensioni precise ed un'efficienza di incapsulamento estremamente elevata. Sebbene l'articolo si concentri sul successo tecnico di questa piattaforma, esso evidenzia un passo significativo verso il rendere la produzione di queste terapie genetiche salvavita più veloce, pulita e affidabile per il futuro uso medico.