De COVID-vaccins die momenteel worden ingezet, zijn met ongekende snelheid ontwikkeld, maar de mRNA-technologie die in sommige ervan aan het werk is, is een even indrukwekkend succesverhaal. Omdat elke gewenste mRNA-sequentie in enorme hoeveelheden kan worden gesynthetiseerd, een van de grootste hindernissen bij een verscheidenheid aan mRNA-therapieën is het vermogen om die sequenties te verpakken in de lipidenanodeeltjes die ze in cellen afleveren.

Nutsvoorzieningen, dankzij productietechnologie ontwikkeld door bio-ingenieurs en medische onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania, een honderdvoudige toename van de huidige microfluïdische productiesnelheden kan binnenkort mogelijk zijn.

De vooruitgang van de onderzoekers komt voort uit hun ontwerp van een proof-of-concept microfluïdisch apparaat met 128 parallel werkende mengkanalen. De kanalen mengen een precieze hoeveelheid lipide en mRNA, in wezen het vervaardigen van individuele lipidenanodeeltjes op een geminiaturiseerde assemblagelijn.

Deze verhoogde snelheid is misschien niet het enige voordeel; het nauwkeuriger regelen van de grootte van de nanodeeltjes zou behandelingen effectiever kunnen maken. De onderzoekers testten de lipide-nanodeeltjes die door hun apparaat werden geproduceerd in een muisstudie, wat aantoont dat ze therapeutische RNA-sequenties konden leveren met een vier tot vijf keer grotere activiteit dan die gemaakt met conventionele methoden.

De studie werd geleid door Michael Mitchell, Skirkanich universitair docent innovatie bij de afdeling bio-engineering van Penn Engineering, en David Issador, Universitair hoofddocent aan de afdeling Bioengineering van Penn Engineering, samen met Sarah Shepherd, een doctoraatsstudent in hun beide labs. Rakan El Mayta, een onderzoeksingenieur in het laboratorium van Mitchell, en Sagar Yadavali, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Issadore, heeft ook meegewerkt aan het onderzoek.

Ze werkten samen met verschillende onderzoekers van Penn's Perelman School of Medicine:postdoctoraal onderzoeker Mohamad-Gabriel Alameh, Lili Wang, Onderzoeksdocent geneeskunde, James M. Wilson, Rose H. Weiss Orphan Disease Center, directeur van de afdeling Geneeskunde, Claude Warzecha, een senior onderzoeker in het laboratorium van Wilson, en Drew Weissman, Professor in de geneeskunde en een van de oorspronkelijke ontwikkelaars van de technologie achter mRNA-vaccins.

Het werd gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

"Wij zijn van mening dat deze microfluïdische technologie het potentieel heeft om niet alleen een sleutelrol te spelen bij de formulering van de huidige COVID-vaccins, " zegt Mitchel, "maar ook om mogelijk tegemoet te komen aan de enorme behoefte die voor ons ligt, aangezien de mRNA-technologie zich uitbreidt naar aanvullende klassen van therapieën."

Bestaande productietechnieken voor op mRNA gebaseerde vaccins gebruiken computergestuurde pompen en spuiten om twee oplossingen zorgvuldig te mengen:een met het gewenste therapeutische mRNA en een andere met de olieachtige lipiden die ze zullen inkapselen. De juiste timing en verhoudingen zijn essentieel voor het produceren van bruikbare nanodeeltjes, omdat die factoren uiteindelijk de grootte en het vermogen van de nanodeeltjes om mRNA in te kapselen bepalen.

Met de tijd van de essentie, Producenten van COVID-vaccins kozen voor deze beproefde technieken, in plaats van vertragingen te riskeren door voorheen onbewezen productietechnologieën.

"Als we niet de juiste mengtijd of verhoudingen hebben, " zegt Herder, "de variabiliteit in de structuur van lipidenanodeeltjes zal het vermogen ervan om de reis naar hun doelcellen te overleven belemmeren. Hoewel we erg goed zijn geworden in het bepalen van de ideale samenstelling voor een nanodeeltje, we moeten nog nieuwe productiemethoden ontwikkelen om ze snel en consistent te formuleren."

Herder, die in zowel Mitchell's als Issadore's labs werkt, bevond zich in een perfecte positie om het voortouw te nemen in een onderzoek dat beide kanten van dit probleem aanpakte. Mitchell's lab maakt gebruik van materiaalwetenschap, scheikunde en computationele hulpmiddelen om nieuwe biomaterialen te ontwerpen die precies therapieën kunnen leveren - zoals lipide nanodeeltjes - terwijl Issadore's elementen van micro-elektronica combineert, microfluïdica, nanomaterialen en machine learning om microfluïdische chips te ontwerpen die ze kunnen maken.

"Ons laboratorium is steeds meer geïnteresseerd in het gebruik van microchips om nauwkeurige medicijnformuleringen voor de farmaceutische industrie te genereren, "zegt Issadore. "Er is een enorme hoeveelheid belofte in deze technologie geweest, maar de succesvolle vertaling naar toepassingen in de echte wereld is zeldzaam geweest. Dit is voornamelijk te wijten aan de fundamentele fysica die de stroom van vloeistoffen regelt die zich in de micro- en nanoschaalkanalen van deze chips bevinden. Het betekent dat hun doorvoer de neiging heeft om wel een miljoen keer langzamer te zijn dan wat nodig is voor commerciële en klinische toepassingen."

Werken met Mitchell's lab, evenals met andere medewerkers zoals de groep van Daeyeon Lee, de onderzoekers hebben onlangs een nieuwe microfluïdische benadering ontwikkeld om deze fundamentele uitdaging aan te gaan. Deze platformtechnologie, genaamd Very Large Scale Microfluidic Integration (VLSMI), maakt het mogelijk tienduizenden microfluïdische eenheden op te nemen in een enkele driedimensionaal geëtste silicium-en-glaswafel.

Dankzij deze parallelle mengkanalen heeft VLSMI het potentieel om de productiesnelheden van liters per uur te bereiken die nodig zijn voor de productie van vaccins. Stroomweerstanden zorgen ervoor dat elk mengkanaal dezelfde stroomomstandigheden en verhouding van lipiden en RNA's over het apparaat ontvangt, het produceren van de uniforme nanodeeltjes die cruciaal zijn voor vaccin- en therapeutische toepassingen.

"Ons laboratorium heeft eerder een op maat ontworpen microfluïdische mengtechnologie gebruikt om lipide-nanodeeltjes te formuleren voor mRNA-therapieën en vaccins, " zegt Mitchell. "Echter, een beperking van ons interne apparaat was de schaal van de lipidenanodeeltjes die we konden produceren. We kunnen genoeg lipidenanodeeltjes maken om kleine dieren te doseren, maar niet grotere dieren en mensen. De VLSMI-aanpak sprak ons ​​al vroeg erg aan, omdat we in wezen onze eigen technologie in deze aanpak konden integreren, zodat we 128 van onze eigen mixers parallel konden gebruiken."

Nadat het team een ​​VLSMI-apparaat had ontworpen dat in staat is om RNA-dragende lipidenanodeeltjes in massa te produceren, ze moesten testen hoe effectief ze waren. In samenwerking met hun collega's in Penn Medicine, ze voerden studies uit bij muizen met behulp van twee verschillende soorten RNA-sequenties, geproduceerd door conventioneel mengen of hun VLSMI-methode. De eerste, ontworpen om de productie van een levereiwit met een kleine interfererende RNA (siRNA) sequentie te onderdrukken, toonde een viervoudige toename van de gewenste gen-uitschakeling met de VLSMI-nanodeeltjes. De seconde, ontworpen om een ​​fluorescerend markereiwit te produceren met een mRNA-sequentie, vertoonde een vijfvoudige toename in vergelijking met conventionele menging.

Deze resultaten laten zien dat VLSMI een levensvatbare methode is om lipidenanodeeltjes effectief te maken voor gebruik in op siRNA en mRNA gebaseerde vaccins en therapieën, maar de techniek zal moeten blijven groeien om aan de komende vraag te voldoen.

"COVID-vaccins zijn slechts het begin van het gebruik van mRNA-technologie in de kliniek, " zegt Mitchell. "De ontwikkeling van deze vaccins zal de weg vrijmaken voor een nieuwe golf van mRNA-genbewerkings- en eiwitvervangingstherapieën die een revolutie teweeg zullen brengen in de geneeskunde. Dit vereist de opschaling van het formuleren van mRNA in lipidenanodeeltjes tot ongekende niveaus. We kijken ernaar uit om deze proof-of-concept-technologie uit te breiden met industriële partners om schaalbare mRNA-therapieën en vaccins voor lipidenanodeeltjes te ontwikkelen."