Sintetizando Nanopartículas Lipídicas por Fluxo Turbulento em Misturadores de Jato de Impacto Confinado
23 de agosto de 2024
Um protocolo detalhado para sintetizar nanopartículas lipídicas (LNPs) usando tecnologias de misturador de jato de impacto confinado (CIJ), incluindo um CIJ de dois jatos e um misturador de vórtice de entrada múltipla de quatro jatos (μMIVM), é demonstrado. Os misturadores CIJ geram ambientes de micromistura turbulentos e reprodutíveis, resultando na produção de LNPs monodispersos.
Nossa pesquisa está focada na compreensão da formação de nanopartículas por meio da mistura turbulenta de fluxos de solvente e antissolvente em geometrias confinadas. A mistura turbulenta confinada permite a produção reprodutível de nanopartículas lipídicas sob condições de fluxo contínuo, variando de escala laboratorial a centenas de microlitros a escala industrial a dezenas de litros por minuto. As nanopartículas lipídicas são normalmente preparadas com dispositivos microfluídicos ou por mistura de pipetas.
Esses dispositivos microfluídicos misturam solvente de etanol e fluxos de antissolvente aquoso nesses canais semelhantes a capilares. No entanto, esses pequenos canais e baixas taxas de fluxo produzem um baixo número de Reynolds, o que leva à mistura laminar. E a mistura de pipetas produz LNPs injetando o fluxo de solvente diretamente em um banho antissolvente.
Os métodos atuais para fazer nanopartículas lipídicas têm baixa escalabilidade e reprodutibilidade. Por exemplo, a mistura de pipetas é inerentemente variável devido à mistura manual não confinada. Embora os dispositivos microfluídicos resolvam alguns desses problemas, eles operam em taxas de fluxo muito baixas.
E eles sujam devido à deposição de RNA lipídico nas paredes do canal. Essas questões destacam a necessidade de ter técnicas reprodutíveis com alto rendimento em escalas laboratoriais e clínicas. Este protocolo demonstra a produção reprodutível e escalável de nanopartículas lipídicas por meio de mistura turbulenta em diferentes tamanhos de lote.
Os pesquisadores podem realizar com confiança a triagem ou otimização da formulação de LNP em pequenas escalas antes de produzir lotes maiores de materiais para testes prolongados. A mistura turbulenta garante nanopartículas consistentes, independentemente do tamanho do lote. Confinados à geometria, os misturadores turbulentos abordam os principais problemas com as técnicas de produção de nanopartículas lipídicas existentes.
O uso de condições turbulentas produz uma mistura em escala molecular mais rápida, o que permite a incorporação de oligonucleotídeos de tamanhos diferentes no núcleo LNP. O misturador CIJ também elimina a incrustação causada pela deposição de lipídios nas paredes do misturador. Fluxos turbulentos com o mesmo número de Reynolds têm vórtices de escala de Kolmogorov turbulentos auto-semelhantes para mistura consistente.
Visão Geral
Este artigo apresenta um protocolo detalhado para a síntese de nanopartículas lipídicas (LNPs) utilizando tecnologias de misturadores por jatos colidentes confinados (CIJ). Os misturadores CIJ facilitam ambientes reprodutíveis de micro-mistura turbulenta, levando à produção de LNPs monodispersas.
Componentes Principais do Estudo
Área de Ciência
- Síntese de nanopartículas
- Técnicas de mistura turbulenta
- Aplicações em biotecnologia
Contexto Geral
- As nanopartículas lipídicas são essenciais para sistemas de liberação de fármacos.
- Os métodos atuais de produção de nanopartículas lipídicas enfrentam problemas de escalabilidade e reprodutibilidade.
- Dispositivos microfluídicos frequentemente resultam em mistura laminar, que é menos eficaz.
- A mistura turbulenta confinada oferece uma solução para esses desafios.
Objetivo do Estudo
- Demonstrar um método reprodutível e escalável para a produção de LNP.
- Abordar as limitações das técnicas existentes de síntese de LNP.
- Permitir a triagem e otimização eficientes das formulações.
Métodos Utilizados
- Utilização de misturadores por jato impingente confinado (CIJ) para mistura turbulenta.
- Preparação controlada de correntes de solvente e antissolvente.
- Implementação de um misturador em vórtice com múltiplas entradas (MIVM) para produção em maior escala.
- Coleta e análise de dispersões de nanopartículas lipídicas.
Resultados Principais
- Produção bem-sucedida de nanopartículas lipídicas monodispersas.
- Comprovação da escalabilidade desde escalas laboratoriais até industriais.
- Mistura consistente obtida por meio de fluxos turbulentos.
- Eliminação de problemas de incrustação associados ao depósito de lipídios.
Conclusões
- A mistura turbulenta confinada é um método viável para a síntese de LNP.
- Essa abordagem melhora a reprodutibilidade e a escalabilidade.
- Os pesquisadores podem otimizar com confiança as formulações de LNP para diversas aplicações.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A mistura turbulenta confinada por jato impingente (CIJ) permite a síntese escalonável e reprodutível de nanopartículas lipídicas (LNPs) para entrega terapêutica, abordando diretamente as limitações dos métodos de mistura microfluídica e manual. Esta tecnologia viabiliza a transição segura da triagem de formulações em escala laboratorial para a produção em escala industrial, garantindo qualidade consistente das nanopartículas e confiabilidade do processo. A abordagem é altamente relevante para pipelines de biofármacos que exigem fabricação robusta e de alto rendimento de LNPs para terapêuticas com ácidos nucleicos e plataformas de vacinas.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvos
- Permite triagem rápida e otimização de composições de LNP para entrega de ácidos nucleicos.
- Apoia a validação funcional de veículos de entrega ao produzir LNPs com tamanho e estabilidade controlados.
- Facilita a redução de riscos mecanicistas ao garantir características reprodutíveis de nanopartículas entre diferentes lotes.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Fornece preparações padronizadas e reprodutíveis de LNP para ensaios biológicos subsequentes.
- Oferece controle quantitativo sobre o tamanho das nanopartículas, potencial zeta e eficiência de encapsulação.
- Permite prontidão para triagem de alto rendimento e escalabilidade da plataforma para diferentes cargas.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Garante a continuidade do descobrimento à validação pré-clínica, mantendo a qualidade dos LNP em escalas crescentes.
- Alinha-se às estratégias translacionais de biomarcadores ao apoiar o desempenho consistente do sistema de entrega.
- Reduz o risco de falha em estágios avançados devido à variabilidade do processo ou inconsistências relacionadas ao entupimento.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Os misturadores CIJ e de múltiplas entradas com vórtice posicionam a síntese de LNP como uma ponte desde a descoberta inicial até a otimização de compostos promissores e o fornecimento de materiais pré-clínicos, apoiando a transferência robusta do processo e sua ampliação de escala.
- Biologia de Descoberta: Permite testar hipóteses sobre eficácia de entrega e compatibilidade de carga útil em sistemas controlados.
- Triagem: Fornece lotes reprodutíveis e quantitativos de LNP para avaliação comparativa de formulações.
- Análise: Apoia a medição de tamanho, potencial zeta e estabilidade para tomada de decisões baseada em dados.
- Pesquisa Translacional: Mantém a continuidade do processo e a qualidade do produto da produção em pequena escala até a produção de material para ensaios clínicos.
- Reutilização Empresarial: Oferece uma plataforma escalonável e padronizada, adaptável a diversos ácidos nucleicos e cargas terapêuticas.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva no desempenho de NLPs e reduz a ambiguidade mecanicista.
- Valor Operacional: Fornece fluxos de trabalho padronizados, reprodutíveis e escaláveis para a produção de nanopartículas.
- Valor Estratégico: Melhora a qualidade das decisões de prosseguir/interromper e a eficiência do capital ao minimizar riscos relacionados ao processo.
- Impacto na Carteira: Permite a priorização e o avanço ajustados ao risco de candidatos terapêuticos baseados em NLPs.
Considerações de Implementação
- Requer experiência em formulação de nanopartículas e princípios de mistura em fluxo turbulento.
- Exige acesso a misturadores CIJ ou misturadores em vórtice com múltiplas entradas e ferramentas analíticas para caracterização de nanopartículas.
- Exige padronização entre equipes dos parâmetros de mistura e métricas de controle de qualidade.
- Adaptável a diferentes cargas de ácidos nucleicos e composições lipídicas mediante ajustes no protocolo.
- Devem ser considerados protocolos de limpeza e prevenção de entupimentos, conforme suportado pelo design do misturador.
