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

微型递送系统的革命

想象一下，你的身体是一座繁忙且戒备森严的城市。有时，这座城市需要特殊的指令——由 mRNA 或 siRNA 等遗传物质构成的微型蓝图——来修理损坏的路灯、阻止病毒或重新编程细胞。但这些蓝图极其脆弱；如果你直接把它们扔进血液，它们在到达目的地之前就会被城市的安保力量撕碎。为了解决这个问题，科学家们使用了“脂质纳米颗粒”（LNPs）。可以将 LNPs 想象成由脂肪制成的微型、自动组装的气泡膜信封。它们包裹住脆弱的遗传指令，保护它们在旅途中不受干扰，并帮助它们溜过安检，将信息精准地传递到需要的地方。

然而，制造这些微观信封目前有点像是在一个混乱的厨房里尝试手工制作一百万个信封。这需要以闪电般的速度混合原料，洗掉杂乱的残留物，并浓缩精华部分，同时还要保持全程无菌。如果你将混合物从一个碗转移到另一个碗，就有污染的风险；如果混合不完美，信封的大小就会不一或发生泄漏。这使得整个过程缓慢、昂贵且不稳定。科学界的重大课题是：我们能否建造一台机器，自动完成所有这些步骤，在一个连续的流程中，每次都制造出完美、一致的纳米颗粒信封？

纳米颗粒的一站式商店

在这项研究中，来自天津大学和 Asymchem Life Science 的一个科学家团队打造了这样一个系统：一个“全流式”微流控平台。想象一下一条工厂流水线，原材料从一端进入，经过混合、清洗和包装，最后成品从另一端滚出，整个过程无需人工接触，也无需在不同的容器之间移动。这正是该团队为脂质纳米颗粒（LNPs）所实现的成就。

该系统分为三个主要站台，全部由细管连接。首先，混合模块充当高速搅拌机的角色。在这里，溶解在酒精中的脂质与溶解在水中的遗传物质猛烈碰撞。芯片设计有螺旋通道，可以产生微小的漩涡，在短短几毫秒内——比眨眼还要快——将两种液体混合在一起。这种快速混合至关重要，因为它迫使脂质在产生混乱或聚集之前，就自动组装在遗传物质周围。

接着，混合物流入稀释模块。可以将其视为一个“降温”站。此时的混合物仍具有较强的酸性和较高的酒精含量，不利于精密的纳米颗粒长期生存。在这里，加入缓冲溶液以中和 pH 值并洗去酒精，从而稳定纳米颗粒，使其保持形状。

最后，流体进入后处理模块，该模块使用了一种被称为单次通过切向流过滤（SPTFF）的巧妙过滤系统。该系统不是让液体来回循环（这可能会损坏纳米颗粒），而是让溶液仅通过一次系列过滤器。这些过滤器就像筛子一样，让微小的酒精分子和不需要的游离遗传物质被冲走，同时捕捉并浓缩珍贵的 LNPs。其结果是得到了一批干净、浓缩且可供使用的纳米颗粒。

他们的发现

团队使用了一种专门用于携带药物 patisiran 的特定类型 LNP 对该系统进行了测试。他们发现，通过简单地提高流速——让液体在芯片中移动得更快——他们可以控制纳米颗粒的大小。当流速更快时，混合更加剧烈，从而产生更小、更均匀的纳米颗粒。例如，将总流速从 20 ml/h 增加到 60 ml/h，会将平均颗粒尺寸从约 121 nm 缩小到大约 83 nm。这些尺寸遵循一种可预测的模式，紧密聚集在一个平均值附近，就像人群中大多数人的身高都接近平均水平一样。

一个令人兴奋的发现是效率的提升。在最后的过滤步骤之前，纳米颗粒包裹了约 85.7% 的遗传物质。但在通过 SPTFF 系统（它移除了松散的、未封装的物质）之后，封装效率跃升至惊人的 98.7%。这表明该系统不仅能制造纳米颗粒，还能将其纯化至适用于高端医疗制剂的标准。

研究人员还开发了一种“智能”方式来监测过程。由于混合过程发生得太快，肉眼无法观察，因此他们使用了一个摄像头和一个人工智能（AI）模型来观察液体流动。通过分析光线穿过混合物的效果，AI 可以以超过 93% 的准确率判断混合状态是“好”还是“坏”，从而确保过程运行完美，而无需添加任何可能污染最终产品的化学染料。

核心结论

这篇论文证明，利用一个完全集成的自动化系统，可以在不到 15 分钟内完成脂质纳米颗粒的合成、纯化和浓缩。通过消除在不同容器之间转移液体的需求，大幅降低了污染风险。研究表明，通过精确控制流速和浓度，科学家可以生产出尺寸精确且封装效率极高的 LNPs。虽然论文侧重于该平台的工程技术成功，但它标志着在使这些救命的遗传疗法在未来医疗应用中变得更快、更洁净、更可靠方面迈出了重要一步。