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

De Revolutie van het Kleine Leveringssysteem

Stel je je lichaam voor als een bruisende, hoogbeveiligde stad. Soms heeft deze stad speciale instructies nodig—kleine blauwdrukken gemaakt van genetisch materiaal zoals mRNA of siRNA—om een kapotte straatlantaarn te reparen, een virus te stoppen of een cel te herprogrammeren. Maar deze blauwdrukken zijn ongelooflijk fragiel; als je ze zomaar in de bloedbaan zou gooien, worden ze door de beveiligingskrachten van de stad versnipperd voordat ze ooit hun bestemming bereiken. Om dit op te lossen, gebruiken wetenschappers "Lipide Nanodeeltjes" (LNP's). Denk aan LNP's als kleine, zelf-assemblerende bubbelplastic enveloppen gemaakt van vet. Ze wikkelen zich rond de kwetsbare genetische instructies, beschermen ze tijdens hun reis en helpen ze om langs de beveiliging te sluipen om de boodschap precies daar af te leveren waar deze nodig is.

Het maken van deze microscopische enveloppen is momenteel echter een beetje alsof je probeert een miljoen van deze enveloppen met de hand te bouwen in een chaotische keuken. Het vereist het mengen van ingrediënten met bliksemsnelheid, het wegwassen van de rommelige restjes en het concentreren van de goede stoffen, terwijl alles steriel moet blijven. Als je het mengsel van de ene kom naar de andere verplaatst, loop je het risico op contaminatie, en als het mengen niet perfect is, eindigen de enveloppen met verschillende groottes of lekken ze. Dit maakt het proces traag, duur en inconsistent. De grote vraag in deze hoek van de wetenschap is: Kunnen we een machine bouken die al deze stappen automatisch, in één continue stroom, uitvoert om elke keer perfecte, identieke nanopartikel-enveloppen te maken?

De One-Stop Shop voor Nanodeeltjes

In dit onderzoek heeft een team van wetenschappers van de Tianjin Universiteit en Asymchem Life Science precies dat gebouwd: een "full-flow" microfluïdisch platform. Stel je een fabriekslijn voor waarbij de grondstoffen aan de ene kant naar binnen gaan, worden gemengd, gewassen en verpakt, en het eindproduct aan de andere kant uitrolt zonder ooit door menselijke handen te zijn aangeraakt of tussen verschillende containers te zijn verplaatst. Dit is wat het team heeft bereikt voor Lipide Nanodeeltjes (LNP's).

Het systeem is verdeeld in drie hoofdstations, die allemaal verbonden zijn door kleine buisjes. Eerst fungeert de Mengmodule als een hogesnelheidsmixer. Hier worden lipiden opgelost in alcohol en genetisch materiaal opgelost in water met elkaar op elkaar geknald. De chip is ontworpen met spiraalvormige kanalen die kleine draaikolken creëren, waardoor de twee vloeistoffen in slechts enkele milliseconden worden gemengd—sneller dan een knipoog. Dit snelle mengen is cruciaal omdat het de lipiden dwingt om zich rond het genetische materiaal te assembleren voordat ze in de war raken of gaan klonteren.

Vervolgens stroomt het mengsel naar de Verduningsmodule. Beschouw dit als een "afkoelstation". Het mengsel is nog te zuur en bevat te veel alcohol voor de delicate nanodeeltjes om op de lange term term te overleven. Hier wordt een bufferoplossing toegevoegd om de pH te neutraliseren en de alcohol weg te wassen, waardoor de nanodeeltjes worden gestabiliseerd zodat ze hun vorm behouden.

Ten slotte komt de stroom terecht in de Post-verwerkingsmodule, die een slim filtratiesysteem gebruikt genaamd Single-Pass Tangential Flow Filtration (SPTFF). In plaats van de vloeistof heen en weer te laten circuleren (wat de nanodeeltjes kan beschadigen), stroomt de oplossing slechts één keer door een reeks filters. Deze filters werken als een zeef die de kleine alcoholmoleculen en onnodig vrij zwevend genetisch materiaal weglaat, terwijl de kostbare LNP's worden gevangen en geconcentreerd. Het resultaat is een schone, geconcentreerde batch nanodeeltjes die klaar zijn voor gebruik.

Wat Ze Vonden

Het team testte dit systeem met een specifiek type LNP dat ontworpen is om een medicijn genaamd patisiran te dragen. Ze ontdekten dat door simpelweg de doorstroomsnelheid te verhogen—het sneller door de chip laten bewegen van de vloeistoffen—ze de grootte van de nanodeeltjes konden controleren. Wanneer de doorstroom sneller was, was het mengen intenser, wat resulteerde in kleinere, meer uniforme nanodeeltjes. Bijvoorbeeld, het verhogen van de totale doorstroomsnelheid van 20 ml/u naar 60 ml/u verkleinde de gemiddelde deeltjesgrootte van ongeveer 121 nm naar ongeveer 83 nm. De groottes volgden een voorspelbaar patroon en clusterden netjes rond een gemiddelde, vergelijkbaar met hoe de meeste mensen in een menigte dicht bij de gemiddelde lengte liggen.

Een van de meest opwindende bevindingen was de verbetering in efficiëntie. Vóór de laatste filtratiestap bevatten de nanodeeltjes ongeveer 85,7% van het genetische materiaal. Maar na passage door het SPTFF-systeem, dat het losse, niet-ingekapselde materiaal verwijderde, schoot de efficiëntie omhoog naar een indrukwekkende 98,7%. Dit suggereert dat het systeem de nanodeeltjes niet alleen maakt, maar ze ook zuivert tot een standaard die geschikt is voor hoogwaardige medische formuleringen.

De onderzoekers ontwikkelden ook een "slimme" manier om het proces te monitoren. Omdat het mengen te snel gaat om met het blote oog te zien, gebruikten ze een camera en een AI (Artificiële Intelligentie) model om de vloeistofstroom te observeren. Door te analyseren hoe het licht door het mengsel scheen, kon de AI met meer dan 93% nauwkeurigheid bepalen of het mengen "Goed" of "Slecht" was, waardoor werd gegarandeerd dat het proces perfect verliep zonder dat er chemische kleurstoffen hoefden te worden toegevoegd die het eindproduct zouden kunnen contamineren.

De Kern van het Verhaal

Dit artikel toont aan dat het mogelijk is om lipide nanodeeltjes te synthetiseren, te zuiveren en te concentreren in minder dan 15 minuten met behulp van een volledig geïntegreerd, geautomatiseerd systeem. Door het overbrengen van vloeistoffen tussen verschillende containers overbodig te maken, wordt het risico op contaminatie aanzienlijk verminderd. De studie suggereert dat wetenschappers, door de doorstroomsnelheden en concentraties zorgvuldig te controleren, LNP's kunnen produceren met een precieze grootte en een extreem hoge inkapselingsefficiëntie. Hoewel het artikel zich richt op het technische succes van dit platform, benadrukt het een belangrijke stap naar het sneller, schoner en betrouwbaarder maken van de productie van deze levensreddende genetische therapieën voor toekomstig medisch gebruik.