Synthese von Lipid-Nanopartikeln durch turbulente Strömung in geschlossenen Aufprallstrahlmischern
23. August 2024
Es wird ein detailliertes Protokoll für die Synthese von Lipid-Nanopartikeln (LNPs) unter Verwendung von Confined Impinging Jet (CIJ)-Mischertechnologien demonstriert, einschließlich eines zweistrahligen CIJ und eines vierstrahligen Multi-Inlet-Vortex-Mischers (μMIVM). Die CIJ-Mischer erzeugen reproduzierbare, turbulente Mikromischumgebungen, die zur Produktion von monodispersen LNPs führen.
Unsere Forschung konzentriert sich auf das Verständnis der Bildung von Nanopartikeln durch turbulentes Mischen von Lösungsmittel- und Lösungsmittelströmen in begrenzten Geometrien. Das enge turbulente Mischen ermöglicht die reproduzierbare Produktion von Lipid-Nanopartikeln unter kontinuierlichen Strömungsbedingungen, die vom Labormaßstab bei Hunderten von Mikrolitern bis zum industriellen Maßstab bei Dutzenden von Litern pro Minute reichen. Lipid-Nanopartikel werden in der Regel mit mikrofluidischen Geräten oder durch Pipettenmischung hergestellt.
Diese mikrofluidischen Geräte mischen Ethanol-Lösungsmittel- und wässrige Lösungsmittelströme in diesen kapillarartigen Kanälen. Diese kleinen Kanäle und geringen Durchflussraten führen jedoch zu einer niedrigen Reynolds-Zahl, was zu einer laminaren Durchmischung führt. Und beim Pipettenmischen werden LNPs hergestellt, indem der Lösungsmittelstrom direkt in ein Lösungsmittelbad injiziert wird.
Die derzeitigen Methoden zur Herstellung von Lipid-Nanopartikeln weisen eine schlechte Skalierbarkeit und Reproduzierbarkeit auf. Zum Beispiel ist das Mischen der Pipette aufgrund des uneingeschränkten manuellen Mischens von Natur aus variabel. Mikrofluidische Geräte lösen zwar einige dieser Probleme, arbeiten aber mit sehr niedrigen Durchflussraten.
Und sie verschmutzen aufgrund der Ablagerung von Lipid-RNA an den Kanalwänden. Diese Probleme unterstreichen die Notwendigkeit reproduzierbarer Techniken mit hohem Durchsatz im Labor- und klinischen Maßstab. Dieses Protokoll demonstriert die reproduzierbare und skalierbare Produktion von Lipid-Nanopartikeln durch turbulentes Mischen über verschiedene Chargengrößen hinweg.
Forscher können das Screening oder die Optimierung von LNP-Formulierungen in kleinem Maßstab sicher durchführen, bevor sie größere Materialchargen für längere Versuche herstellen. Das turbulente Mischen sorgt für konsistente Nanopartikel unabhängig von der Chargengröße. Turbulente Mischer sind auf die Geometrie beschränkt und lösen die Hauptprobleme bestehender Techniken zur Herstellung von Lipid-Nanopartikeln.
Die Verwendung turbulenter Bedingungen führt zu einem schnelleren Mischen auf molekularer Skala, was den Einbau von Oligonukleotiden unterschiedlicher Größe in den LNP-Kern ermöglicht. Der CIJ-Mischer eliminiert auch die Verschmutzung, die durch Lipidablagerungen an den Mischerwänden verursacht wird. Turbulente Strömungen mit der gleichen Reynolds-Zahl haben selbstähnliche turbulente Wirbel auf der Kolmogorov-Skala für eine konsistente Durchmischung.
Übersicht
In diesem Artikel wird ein detailliertes Protokoll zur Synthese von Lipid-Nanopartikeln (LNPs) unter Verwendung von eng begrenzten Impingement-Mischern (CIJ) vorgestellt. Die CIJ-Mischer ermöglichen reproduzierbare, turbulente Mikromischbedingungen, die zur Herstellung monodisperser LNPs führen.
Wesentliche Studienbestandteile
Bereich der Wissenschaft
- Nanopartikelsynthese
- Techniken zur turbulenten Mischung
- Anwendungen in der Biotechnologie
Hintergrund
- Lipidnanopartikel sind unerlässlich für Arzneimittelabgabesysteme.
- Aktuelle Methoden zur Herstellung von LNP weisen Probleme bei der Skalierbarkeit und Reproduzierbarkeit auf.
- Mikrofluidische Vorrichtungen führen häufig zu laminarer Mischung, die weniger effektiv ist.
- Konfinierte turbulente Mischung bietet eine Lösung für diese Herausforderungen.
Zweck der Studie
- Eine reproduzierbare und skalierbare Methode zur Herstellung von LNPs demonstrieren.
- Die Einschränkungen bestehender LNPsynthesetechniken adressieren.
- Eine effiziente Formulierungsscreening und -optimierung ermöglichen.
Verwendete Methoden
- Nutzung von konfinierten Impingement-Strahl-Mischern (CIJ) für turbulente Mischung.
- Kontrollierte Herstellung von Lösungsmittel- und Antisolvat-Strömen.
- Einsatz eines Mehrzulauf-Vortex-Mischers (MIVM) für die großtechnische Produktion.
- Sammlung und Analyse von Lipid-Nanopartikeldispersionen.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Herstellung monodisperser Lipid-Nanopartikel.
- Nachgewiesene Skalierbarkeit von Labor- auf Industriemaßstab.
- Konsistente Vermischung durch turbulente Strömungen erreicht.
- Ausschaltung von Fouling-Problemen, die mit der Ablagerung von Lipiden verbunden sind.
Schlussfolgerungen
- Konfinierte turbulente Mischung ist eine geeignete Methode zur Herstellung von LNPs.
- Dieser Ansatz verbessert die Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit.
- Forscher können LNP-Formulierungen zuverlässig für verschiedene Anwendungen optimieren.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Das turbulente Mischen mittels begrenzter Impingement-Strömung (CIJ) ermöglicht eine skalierbare und reproduzierbare Synthese von Lipidnanopartikeln (LNPs) für therapeutische Anwendungen und behebt damit direkt die Einschränkungen mikrofluidischer und manueller Mischmethoden. Diese Technologie unterstützt einen zuverlässigen Übergang von der Formulierungsscreening im Labormaßstab zur industriellen Produktion und gewährleistet dabei eine gleichbleibende Nanopartikelqualität und Prozesszuverlässigkeit. Der Ansatz ist besonders relevant für Biopharma-Pipelines, die eine robuste und hochdurchsatzfähige Herstellung von LNPs für Nukleinsäuretherapeutika und Impfstoffplattformen erfordern.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die schnelle Screening und Optimierung von LNP-Zusammensetzungen für die Nukleinsäureabgabe.
- Unterstützt die funktionelle Validierung von Abgabesystemen durch die Herstellung von LNPs mit kontrollierter Größe und Stabilität.
- Erleichtert die mechanistische Risikominderung, indem reproduzierbare Nanopartikeleigenschaften über verschiedene Chargen hinweg sichergestellt werden.
Screening und Assay-Entwicklung
- Ermöglicht standardisierte, reproduzierbare LNP-Präparationen für nachgeschaltete biologische Assays.
- Bietet quantitative Kontrolle über die Größe der Nanopartikel, das Zeta-Potential und die Einschließungseffizienz.
- Ermöglicht die Bereitschaft für Hochdurchsatz-Screenings und die Skalierbarkeit der Plattform für unterschiedliche Wirkstoffe.
Translationale und präklinische Forschung
- Stellt die Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Validierung sicher, indem die Qualität der LNP in größer werdenden Maßstäben erhalten bleibt.
- Ergänzt translative Biomarker-Strategien, indem sie eine konsistente Leistung des Abgabesystems unterstützt.
- Verringert das Risiko eines Fehlschlags in fortgeschrittenen Stadien aufgrund von Prozessvariabilität oder inkonsistenten Ablagerungen.
Pipeline- und Workflow-Integration
CIJ- und Multi-Inlet-Vortex-Mischer positionieren die LNP-Synthese als Brücke von der frühen Entdeckung über die Optimierung von Leitverbindungen bis hin zur Bereitstellung präklinischer Materialien und unterstützen eine robuste Prozessübertragung und Hochskalierung.
- Entdeckungsbiochemie: Ermöglicht die Hypothesenprüfung zur Abgabeeffizienz und Wirkstoffverträglichkeit in kontrollierten Systemen.
- Screening: Stellt reproduzierbare, quantitative LNP-Batches für den vergleichenden Formulierungsabgleich bereit.
- Analytik: Unterstützt die Messung von Partikelgröße, Zetapotential und Stabilität zur datengestützten Entscheidungsfindung.
- Translationale Forschung: Gewährleistet Prozesskontinuität und Produktqualität von der Kleinmengenherstellung bis zur Produktion von Material für klinische Studien.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet eine skalierbare, standardisierte Plattform, die an verschiedene Nukleinsäuren und therapeutische Wirkstoffe anpassbar ist.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit hinsichtlich der LNP-Leistung und verringert mechanistische Unklarheiten.
- Operationaler Wert: Ermöglicht standardisierte, reproduzierbare und skalierbare Arbeitsabläufe zur Nanopartikelerzeugung.
- Strategischer Wert: Verbessert die Qualität von Go/No-Go-Entscheidungen und die Kapitalnutzungseffizienz, indem prozessbedingte Risiken minimiert werden.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung von LNP-basierten therapeutischen Kandidaten.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Formulierung von Nanopartikeln und den Prinzipien der turbulenten Durchmischung.
- Benötigt Zugang zu CIJ- oder Mehrfacheinlass-Wirbelmischern sowie analytischen Werkzeugen zur Charakterisierung von Nanopartikeln.
- Setzt eine standardisierte Vorgehensweise über Teamgrenzen hinweg bei Mischparametern und Qualitätskontrollkennzahlen voraus.
- Kann bei Anpassung des Protokolls für verschiedene Nukleinsäure-Wirkstoffe und Lipidzusammensetzungen eingesetzt werden.
- Zu berücksichtigen sind Reinigungsprotokolle und die Vermeidung von Ablagerungen, wie sie durch das Mischergehäusedesign unterstützt wird.
