Synthèse de nanoparticules lipidiques par écoulement turbulent dans des mélangeurs à jet d’impact confinés
23 août 2024
Un protocole détaillé pour la synthèse de nanoparticules lipidiques (LNP) à l’aide de technologies de mélangeur à jet d’impact confiné (CIJ), y compris un CIJ à deux jets et un mélangeur vortex multi-entrées à quatre jets (μMIVM), est présenté. Les mélangeurs CIJ génèrent des environnements de micro-mélange reproductibles et turbulents, ce qui permet de produire des LNP monodispersés.
Nos recherches sont axées sur la compréhension de la formation de nanoparticules par mélange turbulent de flux de solvants et d’antisolvants dans des géométries confinées. Le mélange turbulent confiné permet une production reproductible de nanoparticules lipidiques dans des conditions d’écoulement continu, allant de l’échelle du laboratoire à des centaines de microlitres à l’échelle industrielle à des dizaines de litres par minute. Les nanoparticules lipidiques sont généralement préparées à l’aide de dispositifs microfluidiques ou d’un mélange à l’aide d’une pipette.
Ces dispositifs microfluidiques mélangent des flux d’éthanol, de solvant et d’antisolvant aqueux dans ces canaux capillaires. Cependant, ces petits canaux et ces faibles débits produisent un faible nombre de Reynolds, ce qui conduit à un mélange laminaire. Et le mélange à pipette produit des LNP en injectant le flux de solvant directement dans un bain d’antisolvant.
Les méthodes actuelles de fabrication de nanoparticules lipidiques ont une évolutivité et une reproductibilité médiocres. Par exemple, le mélange des pipettes est intrinsèquement variable en raison du mélange manuel non confiné. Bien que les dispositifs microfluidiques résolvent certains de ces problèmes, ils fonctionnent à des débits très faibles.
Et ils s’encrassent en raison du dépôt d’ARN lipidique sur les parois des canaux. Ces problèmes mettent en évidence la nécessité de disposer de techniques reproductibles à haut débit à l’échelle du laboratoire à l’échelle clinique. Ce protocole démontre la production reproductible et évolutive de nanoparticules lipidiques par mélange turbulent sur différentes tailles de lots.
Les chercheurs peuvent effectuer en toute confiance le criblage ou l’optimisation de formulations LNP à petite échelle avant de produire de plus grands lots de matériaux pour des essais prolongés. Le mélange turbulent garantit des nanoparticules constantes, quelle que soit la taille du lot. Confinés à la géométrie, les mélangeurs turbulents répondent aux principaux problèmes liés aux techniques existantes de production de nanoparticules lipidiques.
L’utilisation de conditions turbulentes produit un mélange plus rapide à l’échelle moléculaire, ce qui permet l’incorporation d’oligonucléotides de tailles différentes dans le noyau LNP. Le mélangeur CIJ élimine également l’encrassement causé par le dépôt de lipides sur les parois du mélangeur. Les écoulements turbulents au même nombre de Reynolds ont des vortex turbulents auto-similaires à l’échelle de Kolmogorov pour un mélange cohérent.
Aperçu
Cet article présente un protocole détaillé pour la synthèse de nanoparticules lipidiques (LNPs) à l'aide de technologies de mélangeurs à jets opposés confinés (CIJ). Les mélangeurs CIJ permettent des environnements de micro-mélange turbulents et reproductibles, conduisant à la production de LNPs monodisperses.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Synthèse de nanoparticules
- Techniques de mélange turbulent
- Applications en biotechnologie
Contexte
- Les nanoparticules lipidiques sont essentielles pour les systèmes de délivrance de médicaments.
- Les méthodes actuelles de production de LNPs font face à des problèmes de reproductibilité et de montée en échelle.
- Les dispositifs microfluidiques entraînent souvent un mélange laminaire, moins efficace.
- Le mélange turbulent confiné offre une solution à ces défis.
Objectif de l'étude
- Démontrer une méthode reproductible et évolutive pour la production de nanoparticules lipidiques (LNP).
- Surmonter les limites des techniques existantes de synthèse des LNP.
- Permettre un criblage et une optimisation efficaces des formulations.
Méthodes utilisées
- Utilisation de mélangeurs à jets opposés confinés (CIJ) pour le mélange turbulent.
- Préparation contrôlée des flux de solvant et d'antisolvant.
- Mise en œuvre d'un mélangeur vortex à multiples entrées (MIVM) pour une production à plus grande échelle.
- Collecte et analyse des dispersions de nanoparticules lipidiques.
Résultats principaux
- Production réussie de nanoparticules lipidiques monodisperses.
- Scalabilité démontrée du laboratoire à l'échelle industrielle.
- Mélange homogène obtenu grâce à des écoulements turbulents.
- Élimination des problèmes d'encrassement associés au dépôt de lipides.
Conclusions
- Le mélange turbulent confiné est une méthode viable pour la synthèse des nanoparticules lipidiques (LNP).
- Cette approche améliore la reproductibilité et la montée en échelle.
- Les chercheurs peuvent optimiser en toute confiance les formulations de LNP pour diverses applications.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
Le mélange turbulent par jet impactant confiné (CIJ) permet une synthèse reproductible et évolutive de nanoparticules lipidiques (LNPs) destinées à la délivrance thérapeutique, répondant directement aux limites des méthodes de mélange microfluidique et manuel. Cette technologie facilite la transition en toute confiance du criblage de formulations à l'échelle du laboratoire à la production à l'échelle industrielle, en garantissant une qualité constante des nanoparticules et une fiabilité du procédé. Cette approche présente un grand intérêt pour les filières biopharmaceutiques nécessitant une fabrication robuste et à haut débit de LNPs pour les thérapies à base d'acides nucléiques et les plateformes vaccinales.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Permet un criblage rapide et l'optimisation des compositions des nanoparticules lipidiques (LNP) pour la délivrance d'acides nucléiques.
- Prend en charge la validation fonctionnelle des vecteurs de délivrance en produisant des LNP de taille et de stabilité contrôlées.
- Facilite la détection mécanistique des risques en assurant des caractéristiques reproductibles des nanoparticules d'une série à l'autre.
Tests et développement de dosages
- Permet des préparations normalisées et reproductibles de LNPs pour des essais biologiques en aval.
- Assure un contrôle quantitatif sur la taille des nanoparticules, le potentiel zêta et l'efficacité d'encapsulation.
- Permet une préparation à l'écranage à haut débit et une évolutivité de la plateforme pour diverses charges utiles.
Recherche translationnelle et préclinique
- Assure la continuité du stade de découverte à la validation préclinique en maintenant la qualité des nanoparticules lipidiques (LNP) à des échelles croissantes.
- S'aligne sur les stratégies translationnelles de biomarqueurs en soutenant une performance constante du système de délivrance.
- Réduit le risque d'échec en phase avancée dû à la variabilité du procédé ou à des incohérences liées à l'encrassement.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Les mélangeurs CIJ et les mélangeurs vortex à multiples entrées positionnent la synthèse des nanoparticules lipidiques (LNP) comme un pont entre la phase initiale de découverte, l'optimisation du candidat et la fourniture de matériel préclinique, en soutenant un transfert de procédé robuste et un agrandissement d'échelle.
- Biologie de la découverte : Permet de tester des hypothèses sur l'efficacité de délivrance et la compatibilité des charges utiles dans des systèmes contrôlés.
- Criblage : Fournit des lots reproductibles et quantitatifs de nanoparticules lipidiques (LNP) pour l'évaluation comparative de formulations.
- Analytique : Facilite la mesure de la taille, du potentiel zêta et de la stabilité afin de prendre des décisions fondées sur des données.
- Recherche translationnelle : Assure la continuité du procédé et la qualité du produit, du développement à petite échelle à la production de matériau pour essais cliniques.
- Réutilisation en entreprise : Offre une plateforme standardisée et évolutive, adaptable à divers acides nucléiques et charges thérapeutiques.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive dans les performances des nanoparticules lipidiques et réduit l'ambiguïté mécanistique.
- Valeur opérationnelle : Offre des protocoles de production de nanoparticules standardisés, reproductibles et évolutifs.
- Valeur stratégique : Améliore la qualité des décisions d'avancement ou d'abandon et l'efficacité du capital en minimisant les risques liés aux procédés.
- Impact sur le portefeuille : Permet une priorisation et un développement ajustés au risque des candidats thérapeutiques fondés sur des nanoparticules lipidiques.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en formulation de nanoparticules et en principes de mélange en écoulement turbulent.
- Requiert un accès à des mélangeurs à injection collisionnelle (CIJ) ou à des mélangeurs vortex à multiples entrées, ainsi qu'à des outils analytiques pour la caractérisation des nanoparticules.
- Exige une standardisation interéquipes des paramètres de mélange et des métriques de contrôle qualité.
- Adaptable à diverses charges utiles d'acides nucléiques et compositions lipidiques moyennant des ajustements du protocole.
- Des considérations incluent les protocoles de nettoyage et la prévention de l'encrassement, comme le permet la conception du mélangeur.
Foire aux questions en biopharmacie
Chapters in this video
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Introduction
2:28
Optimized Formulation of Lipid Nanoparticles Using a Two‐Jet Continuous Impinging Jet (CIJ) Mixer
4:49
Advanced Formulation and Production of Lipid Nanoparticles Using a Four‐Jet Micro‐Size Multiple Inlet Vortex Mixer (µMIVM)
