סינתזה של ננו-חלקיקי שומנים על ידי זרימה טורבולנטית במערבלי סילון פוגעים מוגבלים
23 באוגוסט 2024
הודגם פרוטוקול מפורט לסינתזה של ננו-חלקיקי שומנים (LNPs) באמצעות טכנולוגיות מיקסר סילון פוגע כלוא (CIJ), כולל CIJ דו-סילוני ומערבל מערבולות רב-סילוני בעל ארבעה סילונים (μMIVM). מערבלי CIJ יוצרים סביבות מיקרו-ערבוב טורבולנטיות הניתנות לשחזור, וכתוצאה מכך מייצרים LNPs חד-מפוזרים.
המחקר שלנו מתמקד בהבנת היווצרות ננו-חלקיקים באמצעות ערבוב טורבולנטי של זרמים ממסים ואנטי-ממסים בגיאומטריות סגורות. ערבוב טורבולנטי מוגבל מאפשר ייצור ניתן לשחזור של ננו-חלקיקי שומנים בתנאי זרימה רציפים, החל בקנה מידה מעבדתי של מאות מיקרוליטרים ועד בקנה מידה תעשייתי של עשרות ליטרים לדקה. ננו-חלקיקי שומנים מוכנים בדרך כלל עם התקנים מיקרופלואידים או על ידי ערבוב פיפטה.
התקנים מיקרופלואידים אלה מערבבים ממס אתנול וזרמים אנטי-ממסים מימיים בתעלות דמויות נימים אלה. עם זאת, ערוצים קטנים אלה וקצבי זרימה נמוכים מניבים מספר ריינולדס נמוך, מה שמוביל לערבוב למינרי. וערבוב פיפטות מייצר LNPs על ידי הזרקת זרם הממס ישירות לתוך אמבט אנטי-ממס.
השיטות הנוכחיות לייצור ננו-חלקיקי שומנים הן בעלות יכולת הרחבה ושחזור ירודות. לדוגמה, ערבוב פיפטה משתנה מטבעו בשל הערבוב הידני הבלתי מוגבל. בעוד התקנים מיקרופלואידים מטפלים בחלק מבעיות אלה, הם פועלים בקצבי זרימה נמוכים מאוד.
והם מצחינים בגלל שקיעת RNA שומנים על קירות התעלה. נושאים אלה מדגישים את הצורך בטכניקות הניתנות לשחזור עם תפוקה גבוהה בקנה מידה קליני במעבדה. פרוטוקול זה מדגים ייצור ניתן לשחזור ומדרגי של ננו-חלקיקי שומנים באמצעות ערבוב טורבולנטי על פני גדלי אצווה שונים.
חוקרים יכולים לבצע בביטחון סינון או אופטימיזציה של נוסחאות LNP בקנה מידה קטן לפני ייצור אצוות גדולות יותר של חומרים לניסויים מורחבים. ערבוב טורבולנטי מבטיח ננו-חלקיקים עקביים ללא קשר לגודל האצווה. מוגבל לגיאומטריה, מערבלים טורבולנטיים מטפלים בבעיות העיקריות עם טכניקות ייצור ננו-חלקיקי שומנים קיימות.
שימוש בתנאים טורבולנטיים מייצר ערבוב מהיר יותר בקנה מידה מולקולרי, המאפשר שילוב של אוליגונוקלאוטידים בגדלים שונים בליבת LNP. מערבל CIJ גם מבטל את העכירות הנגרמת על ידי שקיעת שומנים על דפנות המיקסר. לזרימות טורבולנטיות באותו מספר ריינולדס, יש מערבולות בקנה מידה קולמוגורוב דומות לעצמן לערבוב עקבי.
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול מפורט לסנתזה של ננו-חלקיקים שומניים (LNPs) באמצעות טכנולוגיות של מערבב סילוניים מתנגשים מוגבלים (CIJ). מערבבי ה-CIJ מאפשרים יצירת סביבות מיקרו-ערבוב טורבולנטיות הניתנות לשחזור, המובילות להפקה של LNPs מונו-דיספרסיביים.
מרכיבים מרכזיים של המחקר
תחום המדע
- סינתזת ננוחלקיקים
- טכניקות ערבוב טורבולנטי
- יישומים בביוטכנולוגיה
רקע
- ננו-חלקיקים ליפידיים חיוניים עבור מערכות להולכת תרופות.
- שיטות נוכחיות לייצור LNP סובלות מבעיות של סקביליות (יכולת הרחבה) ושחזוריות.
- מכשירים מיקרופלואידיים מובילים לעיתים קרובות לערבוב למינרי, אשר פחות יעיל.
- ערבוב טורבולנטי מוגבל מציע פתרון לאתגרים אלו.
מטרת המחקר
- להדגים שיטה הדירה וניתנת להרחבה לייצור LNP.
- להתגבר על המגבלות של טכניקות סנתזה קיימות ל-LNP.
- לאפשר סריקה ואופטימיזציה יעילות של פורמולציות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש במערבבי סילון מתנגש מוגבל (CIJ) לערבוב טורבולנטי.
- הכנה מבוקרת של זרמי ממס ונוגד-ממס.
- הטמעה של מערבב מערבולת בעל מספר פתחים (MIVM) לייצור בקנה מידה גדול יותר.
- איסוף וניתוח של דיספרסיות של ננו-חלקיקי ליפידים.
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של ננו-חלקיקי ליפידים מונו-דיספרסיים.
- הוכחת יכולת התרחבות (scalability) מקנה מידה מעבדתי לקנה מידה תעשייתי.
- השגת ערבוב עקבי באמצעות זרימות טורבולנטיות.
- ביטול בעיות זיהום (fouling) הקשורות לשקיעת ליפידים.
מסקנות
- ערבוב טורבולנטי מוגבל הוא שיטה יעילה לסנתוז של LNP.
- גישה זו משפרת את השחזוריות ואת היכולת להרחבה (scalability).
- חוקרים יכולים לבצע אופטימיזציה של פורמולציות LNP עבור יישומים שונים בביטחון.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסמך הסיכום
ערבוב טורבולנטי באמצעות סילון מתנגש מוגבל (CIJ) מאפשר סינתזה ניתנת לשכפול ובקנה מידה משתנה של ננו-חלקיקי ליפידים (LNPs) למסירה טיפולית, ובכך נותן מענה ישיר למגבלות של שיטות ערבוב ידניות ומיקרופלואידיות. טכנולוגיה זו תומכת במעבר בטוח מסינון פורמולציות בקנה מידה מעבדתי לייצור בקנה מידה תעשייתי, תוך הבטחת איכות עקבית של הננו-חלקיקים ואמינות התהליך. גישה זו רלוונטית ביותר עבור תהליכי פיתוח בביופארמה הדורשים ייצור חסון ובעל תפוקה גבוהה של LNPs עבור פלטפורמות של חיסונים ותרופות מבוססות חומצות גרעיניות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר סריקה מהירה של פורמולציות ואופטימיזציה של הרכבי LNPs להעברת חומצות גרעיניות.
- תומך בתיקוף תפקודי של כלי הובלה באמצעות ייצור של LNPs בעלי גודל ויציבות מבוקרים.
- מקל על הפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי הבטחת מאפייני ננו-חלקיקים הניתנים לשחזור בין סדרות ייצור.
סינון ופיתוח בדיקה
- מספקת הכנות LNP סטנדרטיות וניתנות לשחזור עבור בדיקות ביולוגיות המשך.
- מאפשרת בקרה כמותית על גודל הננו-חלקיקים, פוטנציאל זטא ויעילות הכליאה.
- מאפשרת מוכנות לסריקה בתושבה גבוהה (high-throughput) ויכולת הרחבה של הפלטפורמה עבור מטענים מגוונים.
מחקר טרנסלציונלי ופרה-קליני
- מבטיח רצף מהשלב של הגילוי ועד לאישור פרה-קלניי, על ידי שמירה על איכות ה-LNP בקנה מידה גדל.
- מתואם עם אסטרטגיות של ביומרקרים תרגומיים על ידי תמיכה בביצועים עקביים של מערכת ההגשה.
- מפחית את הסיכון לכישלון בשלבים מאוחרים עקב שונות בתהליך או חוסר עקביות הקשור לסתימה (fouling).
אינטגרציה של זרימת עבודה וקו עיבוד
ערבובים בשיטת CIJ ובשיטת Vortex עם כניסות מרובות ממיצבים את סינתזת LNP כגשר השולח מהשלבים הראשונים של הגילוי, דרך אופטימיזציית המולקולה המובילה, ועד לאספקת חומרים לשלב הפרה-קליני, ובכך הם תומכים בהעברה יעילה של התהליך ובביצוע scale-up.
- ביולוגיה של הגילוי: מאפשרת בדיקת היפותזות של יעילות ההעברה ותאימות המטען במערכות מבוקרות.
- סריקה: מספקת מנות LNP כמותיות וניתנות לשחזור לצורך הערכה השוואתית של פורמולציות.
- אנליזה: תומכת במדידת גודל, פוטנציאל זטא ויציבות לצורך קבלת החלטות מבוססת נתונים.
- מחקר תרגומי: שומרת על רצף התהליך ואיכות המוצר, החל מקנה מידה קטן ועד לייצור חומרים לניסויים קליניים.
- שימוש חוזר ברמה ארגונית: מציעה פלטפורמה סטנדרטית וניתנת להרחבה, הניתנת להתאמה למגוון מטענים טיפוליים וחומצות גרעיניות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בביצועי ה-LNP ומפחית עמימות מכניסטית.
- ערך תפעולי: מספק זרימות עבודה סטנדרטיות, הניתנות לשחזור וניתנות להרחבה לייצור ננו-חלקיקים.
- ערך אסטרטגי: משפר את איכות קבלת ההחלטות בנוגע להמשך התהליך (go/no-go) ואת יעילות ההון על ידי מזעור סיכונים הקשורים לתהליך.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף וקידום מותאמי סיכון של מועמדים לטיפול מבוססי LNP.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בניסוח ננו-חלקיקים ובעקרונות של ערבוב בזרימה טורבולנטית.
- נדרשת גישה למערכות CIJ או למערבבי מst-inlet vortex וכלי ניתוח לאפיון ננו-חלקיקים.
- נדרשת סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרמטרי הערבוב ומדדי בקרת איכות.
- ניתן להתאים את השיטה לסוגי מטען שונים של חומצות גרעיניות ולהרכבי ליפידים שונים באמצעות התאמות של הפרוטוקול.
- השיקולים כוללים פרוטוקולי ניקוי ומניעת הצטברות משקעים, בהתאם לתכנון המערבב.
