Sintesi di nanoparticelle lipidiche mediante flusso turbolento in miscelatori a getto a impatto confinato
23 agosto 2024
Viene dimostrato un protocollo dettagliato per la sintesi di nanoparticelle lipidiche (LNP) utilizzando tecnologie di miscelazione a getto a impatto confinato (CIJ), tra cui un CIJ a due getti e un miscelatore a vortice multi-ingresso a quattro getti (μMIVM). I miscelatori CIJ generano ambienti di micromiscelazione riproducibili e turbolenti, con conseguente produzione di LNP monodispersi.
La nostra ricerca è focalizzata sulla comprensione della formazione di nanoparticelle attraverso la miscelazione turbolenta di flussi di solventi e antisolventi in geometrie confinate. La miscelazione turbolenta confinata consente la produzione riproducibile di nanoparticelle lipidiche in condizioni di flusso continuo, che vanno da una scala di laboratorio di centinaia di microlitri a una scala industriale di decine di litri al minuto. Le nanoparticelle lipidiche sono tipicamente preparate con dispositivi microfluidici o mediante miscelazione di pipette.
Questi dispositivi microfluidici mescolano solvente di etanolo e flussi acquosi di antisolvente in questi canali capillari. Tuttavia, questi piccoli canali e basse portate producono un basso numero di Reynolds, che porta alla miscelazione laminare. Inoltre, la miscelazione con pipette produce LNP iniettando il flusso di solvente direttamente in un bagno antisolvente.
Gli attuali metodi per produrre nanoparticelle lipidiche hanno scarsa scalabilità e riproducibilità. Ad esempio, la miscelazione delle pipette è intrinsecamente variabile a causa della miscelazione manuale non confinata. Sebbene i dispositivi microfluidici risolvano alcuni di questi problemi, funzionano a portate molto basse.
E si sporcano a causa della deposizione di RNA lipidico sulle pareti del canale. Questi problemi evidenziano la necessità di disporre di tecniche riproducibili con un'elevata produttività su scala di laboratorio e clinica. Questo protocollo dimostra la produzione riproducibile e scalabile di nanoparticelle lipidiche attraverso la miscelazione turbolenta in lotti di diverse dimensioni.
I ricercatori possono eseguire con sicurezza lo screening o l'ottimizzazione della formulazione di LNP su piccola scala prima di produrre lotti più grandi di materiali per prove estese. La miscelazione turbolenta garantisce nanoparticelle coerenti indipendentemente dalle dimensioni del lotto. Limitati alla geometria, i miscelatori turbolenti affrontano i principali problemi con le tecniche di produzione di nanoparticelle lipidiche esistenti.
L'utilizzo di condizioni turbolente produce una miscelazione più rapida su scala molecolare, che consente l'incorporazione di oligonucleotidi di dimensioni diverse nel nucleo LNP. Il miscelatore CIJ elimina anche le incrostazioni causate dalla deposizione di lipidi sulle pareti del miscelatore. I flussi turbolenti allo stesso numero di Reynolds, hanno vortici turbolenti della scala di Kolmogorov auto-similari per una miscelazione coerente.
Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo dettagliato per la sintesi di nanoparticelle lipidiche (LNPs) utilizzando tecnologie di miscelatori a getti contrapposti confinati (CIJ). I miscelatori CIJ favoriscono ambienti riproducibili di micro-miscelazione turbolenta, portando alla produzione di LNPs monodisperse.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Sintesi di nanoparticelle
- Tecniche di miscelazione turbolenta
- Applicazioni in biotecnologia
Sfondo
- Le nanoparticelle lipidiche sono essenziali per i sistemi di somministrazione di farmaci.
- I metodi attuali per la produzione di nanoparticelle lipidiche presentano problemi di scalabilità e riproducibilità.
- I dispositivi microfluidici spesso determinano una miscelazione laminare, che è meno efficace.
- La miscelazione turbolenta confinata offre una soluzione a queste sfide.
Scopo dello studio
- Dimostrare un metodo riproducibile e scalabile per la produzione di LNP.
- Individuare i limiti delle tecniche esistenti di sintesi di LNP.
- Permettere una selezione e un'ottimizzazione efficienti delle formulazioni.
Metodi Utilizzati
- Utilizzo di miscelatori a getto confinato impattante (CIJ) per la miscelazione turbolenta.
- Preparazione controllata di flussi di solvente e antisolvente.
- Impiego di un miscelatore a vortice con multi-ingresso (MIVM) per la produzione su scala maggiore.
- Raccolta e analisi delle dispersioni di nanoparticelle lipidiche.
Risultati principali
- Produzione riuscita di nanoparticelle lipidiche monodisperse.
- Scalabilità dimostrata da scala di laboratorio a scala industriale.
- Miscelazione costante ottenuta mediante flussi turbolenti.
- Eliminazione dei problemi di incrostazione associati al deposito di lipidi.
Conclusioni
- La miscelazione turbolenta confinata è un metodo valido per la sintesi di LNP.
- Questo approccio migliora la riproducibilità e la scalabilità.
- I ricercatori possono ottimizzare con sicurezza le formulazioni di LNP per diverse applicazioni.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Il mescolamento turbolento mediante getto impattante confinato (CIJ) consente la sintesi scalabile e riproducibile di nanoparticelle lipidiche (LNPs) per la somministrazione terapeutica, affrontando direttamente i limiti dei metodi di mescolamento microfluidico e manuale. Questa tecnologia facilita il passaggio sicuro dalla formulazione su scala di laboratorio alla produzione su scala industriale, garantendo una qualità costante delle nanoparticelle e l'affidabilità del processo. L'approccio risulta particolarmente rilevante per i flussi produttivi della biofarmaceutica che richiedono una produzione robusta e ad alto rendimento di LNPs per terapie a base di acidi nucleici e piattaforme vaccinali.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Prima Fase della Scoperta e Validazione del Target
- Permette una rapida selezione e ottimizzazione delle formulazioni di LNP per il rilascio di acidi nucleici.
- Supporta la validazione funzionale dei sistemi di somministrazione producendo LNP con dimensioni e stabilità controllate.
- Semplifica la riduzione dei rischi meccanicistici garantendo caratteristiche riproducibili delle nanoparticelle tra diversi lotti.
Screening e sviluppo di saggi
- Fornisce preparazioni standardizzate e riproducibili di LNP per saggi biologici successivi.
- Permette un controllo quantitativo sulla dimensione delle nanoparticelle, sul potenziale zeta e sull'efficienza di incapsulamento.
- Consente prontezza per lo screening ad alto rendimento e scalabilità della piattaforma per diversi carichi utili.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Garantisce la continuità dalla scoperta alla validazione preclinica mantenendo la qualità dei LNP su scale crescenti.
- Si allinea alle strategie traslazionali per i biomarcatori supportando prestazioni costanti del sistema di somministrazione.
- Riduce il rischio di fallimento in fasi avanzate dovuto a variabilità del processo o incoerenze legate a incrostazioni.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
I miscelatori CIJ e a vortice con multi-ingresso posizionano la sintesi dei LNP come un ponte dallo stadio iniziale di scoperta fino all'ottimizzazione del composto promettente e alla fornitura di materiale preclinico, supportando un trasferimento di processo robusto e la scalabilità.
- Biologia della Scoperta: Consente la verifica di ipotesi sull'efficacia del rilascio e sulla compatibilità del carico in sistemi controllati.
- Screening: Fornisce lotti riproducibili e quantitativi di LNP per la valutazione comparativa delle formulazioni.
- Analisi: Supporta la misurazione di dimensioni, potenziale zeta e stabilità per decisioni basate sui dati.
- Ricerca Translazionale: Mantiene la continuità del processo e la qualità del prodotto dalla produzione su piccola scala fino ai materiali per studi clinici.
- Riutilizzo Aziendale: Offre una piattaforma scalabile e standardizzata, adattabile a diversi acidi nucleici e carichi terapeutici.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nelle prestazioni dei LNP e riduce l'ambiguità meccanicistica.
- Valore operativo: Fornisce flussi di lavoro standardizzati, riproducibili e scalabili per la produzione di nanoparticelle.
- Valore strategico: Migliora la qualità delle decisioni di avanzamento o interruzione e l'efficienza del capitale riducendo i rischi legati al processo.
- Impatto sul portafoglio: Permette la priorizzazione e la progressione di candidati terapeutici basati su LNP con un adeguamento del rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella formulazione di nanoparticelle e nei principi del mescolamento in flusso turbolento.
- Necessita dell'accesso a mischiatori CIJ o a vortice con ingressi multipli e a strumenti analitici per la caratterizzazione delle nanoparticelle.
- Richiede una standardizzazione intersettoriale dei parametri di mescolamento e delle metriche di controllo qualità.
- È adattabile a diverse tipologie di carichi di acidi nucleici e composizioni lipidiche, con opportune modifiche al protocollo.
- Da considerare i protocolli di pulizia e la prevenzione dell'incrostazione, come supportato dalla progettazione del mischiatore.
Domande frequenti sulla biofarmaceutica
Chapters in this video
0:00
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)
