Synthèse de nanoparticules lipidiques par écoulement turbulent dans des mélangeurs à jet d’impact confinés
August 23rd, 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 (LNP) en utilisant des technologies de mélangeur à jet impingé confiné (CIJ). Les mélangeurs CIJ facilitent des environnements de micro-mélange turbulents et reproductibles, conduisant à la production de LNP monodisperses.
Composants 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 livraison de médicaments.
- Les méthodes actuelles de production de LNP font face à des problèmes d'évolutivité et de reproductibilité.
- Les dispositifs microfluidiques conduisent souvent à un mélange laminaire, qui est 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 LNP.
- Répondre aux limites des techniques de synthèse de LNP existantes.
- Permettre un criblage et une optimisation efficaces des formulations.
Méthodes utilisées
- Utilisation de mélangeurs à jet impingé confiné (CIJ) pour le mélange turbulent.
- Préparation des flux de solvant et d'antisolvant de manière contrôlée.
- Mise en œuvre d'un mélangeur à vortex multi-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.
- Évolutivité démontrée de l'échelle laboratoire à l'échelle industrielle.
- Mélange constant obtenu grâce aux flux turbulents.
- Élimination des problèmes de colmatage associés au dépôt de lipides.
Conclusions
- Le mélange turbulent confiné est une méthode viable pour la synthèse de LNP.
- Cette approche améliore la reproductibilité et l'évolutivité.
- Les chercheurs peuvent optimiser en toute confiance les formulations de LNP pour diverses applications.
Questions fréquemment posées
Executive Industry Relevance
Confined impinging jet (CIJ) turbulent mixing enables scalable, reproducible synthesis of lipid nanoparticles (LNPs) for therapeutic delivery, directly addressing the limitations of microfluidic and manual mixing methods. This technology supports confident transition from laboratory-scale formulation screening to industrial-scale production, ensuring consistent nanoparticle quality and process reliability. The approach is highly relevant for biopharma pipelines requiring robust, high-throughput LNP manufacturing for nucleic acid therapeutics and vaccine platforms.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rapid formulation screening and optimization of LNP compositions for nucleic acid delivery.
- Supports functional validation of delivery vehicles by producing LNPs with controlled size and stability.
- Facilitates mechanistic de-risking by ensuring reproducible nanoparticle characteristics across batches.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible LNP preparations for downstream biological assays.
- Delivers quantitative control over nanoparticle size, zeta potential, and encapsulation efficiency.
- Enables high-throughput screening readiness and platform scalability for diverse payloads.
Translational & Preclinical Research
- Ensures continuity from discovery to preclinical validation by maintaining LNP quality at increasing scales.
- Aligns with translational biomarker strategies by supporting consistent delivery system performance.
- Reduces risk of late-stage failure due to process variability or fouling-related inconsistencies.
Pipeline & Workflow Integration
CIJ and multi-inlet vortex mixers position LNP synthesis as a bridge from early discovery through lead optimization to preclinical material supply, supporting robust process transfer and scale-up.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of delivery efficacy and payload compatibility in controlled systems.
- Screening: Provides reproducible, quantitative LNP batches for comparative evaluation of formulations.
- Analytics: Supports measurement of size, zeta potential, and stability for data-driven decision making.
- Translational Research: Maintains process continuity and product quality from small-scale to clinical trial material production.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, standardized platform adaptable to various nucleic acid and therapeutic payloads.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in LNP performance and reduces mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible, and scalable nanoparticle production workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by minimizing process-related risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of LNP-based therapeutic candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in nanoparticle formulation and turbulent flow mixing principles.
- Needs access to CIJ or multi-inlet vortex mixers and analytical tools for nanoparticle characterization.
- Demands cross-team standardization of mixing parameters and quality control metrics.
- Adaptable to various nucleic acid payloads and lipid compositions with protocol adjustments.
- Considerations include cleaning protocols and fouling prevention, as supported by mixer design.
