Синтез липидных наночастиц турбулентным потоком в струйных смесителях с ограниченным соударением
23 августа 2024 г.
Продемонстрирован подробный протокол синтеза липидных наночастиц (LNP) с использованием технологий смесителей с ограниченной струей (CIJ), включая двухструйный CIJ и четырехструйный многоструйный вихревой смеситель (μMIVM). Смесители CIJ создают воспроизводимые турбулентные микросмесительные среды, что приводит к производству монодисперсных LNP.
Наши исследования сосредоточены на понимании образования наночастиц путем турбулентного смешивания потоков растворителей и антирастворителей в ограниченных геометриях. Ограниченное турбулентное перемешивание обеспечивает воспроизводимое производство липидных наночастиц в условиях непрерывного потока, начиная от лабораторного масштаба в сотни микролитров до промышленного масштаба с производительностью в десятки литров в минуту. Липидные наночастицы обычно получают с помощью микрофлюидных устройств или путем смешивания с помощью пипеток.
Эти микрофлюидные устройства смешивают потоки этанола, растворителя и водных антирастворителей в этих капилляроподобных каналах. Однако эти небольшие каналы и низкая скорость потока приводят к низкому числу Рейнольдса, что приводит к ламинарному перемешиванию. При смешивании с помощью пипеток образуются LNP путем впрыска потока растворителя непосредственно в ванну с антирастворителем.
Современные методы получения липидных наночастиц имеют плохую масштабируемость и воспроизводимость. Например, смешивание с помощью пипеток по своей природе изменчиво из-за неограниченного ручного смешивания. Несмотря на то, что микрофлюидные устройства решают некоторые из этих проблем, они работают при очень низких скоростях потока.
А засоряются они из-за отложения липидной РНК на стенках канала. Эти проблемы подчеркивают необходимость наличия воспроизводимых методов с высокой производительностью в лабораторных и клинических масштабах. Этот протокол демонстрирует воспроизводимое и масштабируемое производство липидных наночастиц путем турбулентного смешивания партий различных размеров.
Исследователи могут с уверенностью проводить скрининг или оптимизацию рецептур LNP в небольших масштабах перед производством больших партий материалов для расширенных испытаний. Турбулентное перемешивание обеспечивает однородность наночастиц независимо от размера партии. Турбулентные смесители, ограниченные геометрией, решают основные проблемы существующих технологий производства липидных наночастиц.
Использование турбулентных условий приводит к более быстрому смешиванию в молекулярном масштабе, что позволяет встраивать олигонуклеотиды разного размера в ядро LNP. Смеситель CIJ также устраняет загрязнение, вызванное отложением липидов на стенках смесителя. Турбулентные течения с одинаковым числом Рейнольдса, имеют самоподобные турбулентные вихри масштаба Колмогорова для равномерного перемешивания.
Обзор
В данной статье представлен подробный протокол синтеза липидных наночастиц (LNPs) с использованием технологии смесителей с ограниченными сталкивающимися струями (CIJ). Смесители CIJ обеспечивают воспроизводимую среду турбулентного микроперемешивания, что позволяет получать монодисперсные LNPs.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Синтез наночастиц
- Методы турбулентного смешивания
- Применение в биотехнологии
Теоретические основы
- Липидные наночастицы имеют важное значение для систем доставки лекарственных средств.
- Современные методы производства ЛНЧ сталкиваются с проблемами масштабируемости и воспроизводимости.
- Микрофлюидные устройства часто приводят к ламинарному смешиванию, которое менее эффективно.
- Ограниченное турбулентное смешивание предлагает решение этих проблем.
Цель исследования
- Продемонстрировать воспроизводимый и масштабируемый метод производства ЛНЧ.
- Устранить ограничения существующих методов синтеза ЛНЧ.
- Обеспечить возможность эффективного скрининга и оптимизации состава.
Используемые методы
- Использование смесителей с ограниченными сталкивающимися струями (CIJ) для турбулентного смешивания.
- Контролируемая подготовка потоков растворителя и антирастворителя.
- Внедрение многовходного вихревого смесителя (MIVM) для производства в более крупных масштабах.
- Сбор и анализ дисперсий липидных наночастиц.
Основные результаты
- Успешное получение монодисперсных липидных наночастиц.
- Продемонстрированная возможность масштабирования от лабораторного до промышленного уровня.
- Обеспечение стабильного смешивания за счет турбулентных потоков.
- Устранение проблем загрязнения, связанных с осаждением липидов.
Выводы
- Ограниченное турбулентное смешивание является эффективным методом синтеза LNP.
- Данный подход повышает воспроизводимость и масштабируемость процесса.
- Исследователи могут уверенно оптимизировать составы LNP для различных областей применения.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Турбулентное смешивание в ограниченной сталкивающейся струе (CIJ) обеспечивает масштабируемый и воспроизводимый синтез липидных наночастиц (LNPs) для терапевтической доставки, напрямую устраняя ограничения методов микрофлюидного и ручного смешивания. Данная технология способствует уверенному переходу от скрининга составов в лабораторном масштабе к промышленному производству, гарантируя стабильное качество наночастиц и надежность процесса. Этот подход крайне актуален для биофармацевтических разработок, требующих надежного высокопроизводительного производства LNP для терапевтических нуклеиновых кислот и вакцинных платформ.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Обеспечивает возможность быстрого скрининга составов и оптимизации композиций LNP для доставки нуклеиновых кислот.
- Поддерживает функциональную валидацию средств доставки путем получения LNP с контролируемым размером и стабильностью.
- Способствует снижению механистических рисков за счет обеспечения воспроизводимых характеристик наночастиц в разных партиях.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает получение стандартизированных, воспроизводимых препаратов LNP для последующих биологических анализов.
- Обеспечивает количественный контроль размера наночастиц, дзета-потенциала и эффективности инкапсуляции.
- Обеспечивает готовность к высокопроизводительному скринингу и масштабируемость платформы для различных типов полезной нагрузки.
Трансляционные и доклинические исследования
- Обеспечивает непрерывность перехода от этапа открытия к доклинической валидации за счет поддержания качества LNP при масштабировании производства.
- Соответствует стратегиям трансляционных биомаркеров, обеспечивая стабильную работу системы доставки.
- Снижает риск неудач на поздних стадиях, вызванных вариабельностью процесса или несоответствиями, связанными с загрязнением оборудования.
Интеграция в конвейер и рабочий процесс
CIJ и многовходные вихревые смесители позволяют рассматривать синтез LNP как связующее звено от этапа первоначального поиска через оптимизацию ведущих соединений к поставке материалов для доклинических исследований, обеспечивая надежный перенос и масштабирование процесса.
- Фундаментальная биология: позволяет проверять гипотезы об эффективности доставки и совместимости полезной нагрузки в контролируемых системах.
- Скрининг: обеспечивает получение воспроизводимых количественных партий LNP для сравнительной оценки рецептур.
- Аналитика: позволяет измерять размер, дзета-потенциал и стабильность для принятия решений на основе данных.
- Трансляционные исследования: обеспечивают непрерывность процесса и качество продукта при переходе от маломасштабного производства к выпуску материалов для клинических испытаний.
- Корпоративное повторное использование: предоставляет масштабируемую стандартизированную платформу, адаптируемую к различным нуклеиновым кислотам и терапевтическим нагрузкам.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозирования эффективности LNP и снижает механистическую неопределенность.
- Операционная ценность: обеспечивает стандартизированные, воспроизводимые и масштабируемые рабочие процессы производства наночастиц.
- Стратегическая ценность: повышает качество принятия решений о целесообразности дальнейшей разработки (go/no-go) и эффективность использования капитала за счет минимизации рисков, связанных с технологическим процессом.
- Влияние на портфель: позволяет осуществлять приоритизацию и продвижение терапевтических кандидатов на основе LNP с учетом скорректированных рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области приготовления наночастиц и принципах смешивания в турбулентном потоке.
- Необходим доступ к струйным (CIJ) или многовходным вихревым смесителям, а также к аналитическим инструментам для характеризации наночастиц.
- Требуется межкомандная стандартизация параметров смешивания и показателей контроля качества.
- Метод adaptable к различным типам нуклеиновых кислот и липидным составам при соответствующей корректировке протокола.
- Необходимо учитывать протоколы очистки и предотвращение загрязнения, что обеспечивается конструкцией смесителя.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
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)
