Synthesisizing Lipid Nanoparticles by Turbulent Flow in Confined Impact Jet Mixers(밀폐 충돌 제트 믹서에서 난류에 의한 지질 나노입자 합성)
2024년 8월 23일
2제트 CIJ 및 4제트 다중 입구 와류 믹서(μMIVM)를 포함한 CIJ(Confined Impact Jet) 믹서 기술을 사용하여 지질 나노입자(LNP)를 합성하기 위한 자세한 프로토콜이 시연됩니다. CIJ 믹서는 재현 가능한 난류 마이크로 혼합 환경을 생성하여 단분산 LNP를 생산합니다.
우리의 연구는 제한된 형상에서 용매와 반용매 스트림의 난류 혼합을 통한 나노 입자 형성을 이해하는 데 중점을 두고 있습니다. 제한된 난류 혼합은 수백 마이크로리터의 실험실 규모에서 분당 수십 리터의 산업 규모에 이르기까지 연속 흐름 조건에서 지질 나노입자의 재현 가능한 생산을 가능하게 합니다. 지질 나노입자는 일반적으로 미세유체 장치 또는 피펫 혼합으로 제조됩니다.
이 미세유체 장치는 이러한 모세관과 같은 채널에서 에탄올 용매와 수성 반용매 흐름을 혼합합니다. 그러나 이러한 작은 채널과 낮은 유속은 낮은 레이놀즈 수를 생성하여 층류 혼합으로 이어집니다. 그리고 피펫 혼합은 용매 스트림을 반용매 수조에 직접 주입하여 LNP를 생성합니다.
지질 나노 입자를 만드는 현재의 방법은 확장성과 재현성이 떨어집니다. 예를 들어, 피펫 혼합은 제한되지 않은 수동 혼합으로 인해 본질적으로 가변적입니다. 미세유체 장치는 이러한 문제 중 일부를 해결하지만 매우 낮은 유속에서 작동합니다.
그리고 그들은 채널 벽에 지질 RNA 침착으로 인해 오염됩니다. 이러한 문제는 실험실에서 임상 규모에 이르기까지 높은 처리량을 가진 재현 가능한 기술의 필요성을 강조합니다. 이 프로토콜은 다양한 배치 크기에 걸쳐 난류 혼합을 통해 재현 가능하고 확장 가능한 지질 나노입자 생산을 보여줍니다.
연구원들은 장시간 시험을 위해 더 많은 양의 물질을 생산하기 전에 소규모로 LNP 제형 스크리닝 또는 최적화를 자신 있게 수행할 수 있습니다. 난류 혼합은 배치 크기에 관계없이 일관된 나노 입자를 보장합니다. 기하학적 구조에 국한된 난류 믹서는 기존 지질 나노입자 생산 기술의 주요 문제를 해결합니다.
난류 조건을 사용하면 더 빠른 분자 규모 혼합이 생성되어 다양한 크기의 올리고뉴클레오티드를 LNP 코어에 통합할 수 있습니다. CIJ 믹서는 또한 믹서 벽의 지질 침착으로 인한 오염을 제거합니다. 동일한 레이놀즈 수에서의 난류 흐름은 일관된 혼합을 위해 자체 유사한 난류 Kolmogorov 스케일 와류를 갖습니다.
개요
본 논문은 제한 구속 충돌 제트(confined impinging jet, CIJ) 믹서 기술을 이용한 지질 나노입자(LNP) 합성의 상세 프로토콜을 제시합니다. CIJ 믹서는 재현 가능한 난류 미세 혼합 환경을 조성하여 단분산 LNP를 생성할 수 있게 합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 나노입자 합성
- 난류 혼합 기술
- 생명공학 응용
배경
- 지질 나노입자는 약물 전달 시스템에 필수적입니다.
- 현재의 LNP 제조 방법은 확장성과 재현성 문제에 직면해 있습니다.
- 미세유체 장치는 종종 층류 혼합을 유발하며, 이는 효율성이 낮습니다.
- 제한된 난류 혼합이 이러한 문제들에 대한 해결책을 제공합니다.
연구 목적
- 재현 가능하고 확장 가능한 LNP 제조 방법을 입증함.
- 기존 LNP 합성 기술의 한계점을 해결함.
- 효율적인 제형 스크리닝 및 최적화를 가능하게 함.
사용된 방법
- 난류 혼합을 위한 제한 충돌 제트(CIJ) 믹서의 활용.
- 용매 및 반용매 스트림의 제어된 방식의 준비.
- 대규모 생산을 위한 다중 입구 와류 믹서(MIVM)의 구현.
- 지질 나노입자 분산액의 수집 및 분석.
주요 결과
- 단분산 지질 나노입자의 성공적인 제조.
- 실험실 규모에서 산업 규모까지의 확장성 입증.
- 난류 흐름을 통한 일관된 혼합 달성.
- 지질 침착과 관련된 파울링 문제 해결.
결론
- 제한된 난류 혼합(Confined turbulent mixing)은 LNP 합성을 위한 실행 가능한 방법입니다.
- 이 접근 방식은 재현성과 확장성을 향상시킵니다.
- 연구자들은 다양한 응용 분야에 맞춰 LNP 제형을 자신 있게 최적화할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
산업적 관련성 요약
제한된 충돌 제트(Confined impinging jet, CIJ) 난류 혼합은 치료제 전달을 위한 지질 나노입자(LNP)의 확장 가능하고 재현 가능한 합성을 가능하게 하며, 이는 마이크로플루이딕 및 수동 혼합 방식의 한계점을 직접적으로 해결합니다. 이 기술은 실험실 규모의 제형 스크리닝에서 산업 규모의 생산으로의 확신 있는 전환을 지원하여, 일관된 나노입자 품질과 공정 신뢰성을 보장합니다. 이러한 접근 방식은 핵산 치료제 및 백신 플랫폼을 위해 견고한 고처리량 LNP 제조가 필요한 바이오 제약 파이프라인에 매우 유용합니다.
바이오 제약 R&D의 전략적 응용
초기 발견 및 타겟 검증
- 핵산 전달을 위한 LNP 조성의 신속한 제형 스크리닝 및 최적화를 가능하게 합니다.
- 크기와 안정성이 제어된 LNP를 제조함으로써 전달체의 기능적 검증을 지원합니다.
- 배치 간 재현 가능한 나노입자 특성을 보장하여 기전적 리스크 감소를 용이하게 합니다.
스크리닝 및 분석법 개발
- 후속 생물학적 분석을 위해 표준화되고 재현 가능한 LNP 조제를 제공합니다.
- 나노입자 크기, 제타 전위 및 캡슐화 효율에 대한 정량적 제어를 가능하게 합니다.
- 다양한 페이로드를 위한 고처리량 스크리닝 준비 및 플랫폼 확장성을 지원합니다.
중개 및 전임상 연구
- 규모가 확장됨에 따라 LNP 품질을 유지함으로써 발견 단계부터 전임상 검증까지의 연속성을 보장합니다.
- 일관된 전달 시스템 성능을 지원하여 중개 바이오마커 전략과 부합하도록 합니다.
- 공정 변동성 또는 파울링 관련 불일치로 인한 후기 단계의 실패 위험을 줄입니다.
파이프라인 및 워크플로우 통합
CIJ 및 다중 입구 볼텍스 믹서는 LNP 합성을 초기 발견부터 리드 최적화, 그리고 전임상 물질 공급에 이르는 가교로 설정하여, 견고한 공정 전이와 스케일업을 지원합니다.
- 발견 생물학: 제어된 시스템 내에서 전달 효능 및 페이로드 호환성의 가설 검증을 가능하게 합니다.
- 스크리닝: 제형의 비교 평가를 위해 재현 가능하고 정량적인 LNP 배치를 제공합니다.
- 분석: 데이터 기반의 의사 결정을 위해 크기, 제타 전위 및 안정성 측정을 지원합니다.
- 중개 연구: 소규모 단계부터 임상 시험 물질 생산까지 공정 연속성과 제품 품질을 유지합니다.
- 기업적 재사용: 다양한 핵산 및 치료용 페이로드에 적용 가능한 확장 가능하고 표준화된 플랫폼을 제공합니다.
운영 및 기업적 영향
- 과학적 가치: LNP 성능에 대한 예측 신뢰도를 높이고 기전적 모호성을 줄입니다.
- 운영적 가치: 표준화되고 재현 가능하며 확장 가능한 나노입자 생산 워크플로우를 제공합니다.
- 전략적 가치: 공정 관련 리스크를 최소화하여 go/no-go 결정의 품질과 자본 효율성을 향상시킵니다.
- 포트폴리오 영향: LNP 기반 치료제 후보 물질의 리스크 조정 우선순위 지정 및 개발 진행을 가능하게 합니다.
실행 시 고려 사항
- 나노입자 제형 및 난류 흐름 혼합 원리에 대한 전문 지식이 필요합니다.
- CIJ 또는 다중 유입 볼텍스 믹서와 나노입자 특성 분석을 위한 분석 도구의 사용 권한이 필요합니다.
- 혼합 파라미터 및 품질 관리 지표에 대한 팀 간 표준화가 요구됩니다.
- 프로토콜 조정을 통해 다양한 핵산 페이로드 및 지질 조성에 적용 가능합니다.
- 믹서 설계에 따른 세척 프로토콜 및 파울링 방지 고려 사항이 포함됩니다.
