Een belangrijk onderdeel van de vaccins die mensen beschermen tegen het SARS-CoV-2-virus en zijn varianten zijn lipidenanodeeltjes of LNP's. Deze cirkelvormige deeltjes dragen therapeutische mRNA-ladingen, de fragmenten van genetisch materiaal die ons immuunsysteem ertoe aanzetten zich te verdedigen tegen COVID-19.

Zelfs met hun succes zijn bepaalde kenmerken van de deeltjes, zoals de verdeling van de lading, onbekend. Onderzoekers en de Food and Drug Administration willen meer inzicht in deze kenmerken om de rapportage van statistieken in de farmaceutische productie te verbeteren.

Een nieuw moleculair detectieplatform, ontwikkeld door twee hoogleraren van de Whiting School of Engineering, beantwoordt de oproep van de FDA. Hai-Quan Mao en Tza-Huei (Jeff) Wang willen onderzoeken hoeveel mRNA-moleculen een LNP kan dragen en of het mRNA uniform in het deeltje is verpakt, om onderzoekers te helpen efficiëntere en effectievere behandelingen en vaccins te ontwerpen.

"Ons platform verwerkt moleculen op het niveau van enkele nanodeeltjes, maar in tegenstelling tot de huidige beeldvormingsmethoden voor mRNA-LNP's, is onze aanpak gebaseerd op fluorescentiespectroscopie en geeft ons de mogelijkheid om door de deeltjes heen te kijken", zegt Wang, een professor in de afdelingen Mechanische Engineering en Biomedical Engineering aan de Whiting School, en een kernonderzoeker aan het Institute for NanoBioTechnology.

Het vermogen om in de nanodeeltjes te kijken, stelt de onderzoekers in staat om onderscheid te maken tussen lege LNP's die geen mRNA, LNP's met mRNA en vrij zwevend mRNA in een monster bevatten en deze te meten.

Hun platform, genaamd cilindrische verlichting confocale spectroscopie, of CISC, werkt door mRNA- en LNP-componenten te taggen met fluorescente signalen van maximaal drie kleuren en het monster door een detectievlak te leiden. Het detectievlak leest de fluorescentiesignalen en meet hun intensiteit voordat de sterkte van de intensiteiten wordt vergeleken met die van een enkel mRNA-molecuul.

De gegevensanalyse met een algoritme dat deconvolutie wordt genoemd, vertelt het team hoeveel mRNA-kopieën zich in de LNP bevinden - indien aanwezig - en hun distributie in het monster. Het platform van het team overwint contrastbeperkingen en verhoogt de doorvoer van monsteranalyse, die wordt gezien in cryotransmissie-elektronenmicroscopie, de huidige gouden standaard voor het afbeelden van mRNA-LNP's.

Tests uitgevoerd met dit detectieplatform onthulden dat van een benchmarkoplossing van mRNA LNP die wordt gebruikt in academische onderzoeksstudies, meer dan 50% van de LNP's niet geladen zijn met mRNA-moleculen, en van de met mRNA gevulde LNP's bevatten de meeste twee tot drie mRNA's. moleculen per deeltje.

"Het is nog nooit eerder gedaan om de payload-kenmerken van mRNA-LNP's kwantitatief op te lossen op het niveau van één deeltje. We zijn geïntrigeerd door de substantiële aanwezigheid van lege LNP's en door de formuleringsomstandigheden te veranderen, kan een enkel nanodeeltje slechts één tot maximaal wel tien mRNA-moleculen", zegt Mao, professor in de afdelingen Materials Science and Engineering en Biomedical Engineering aan de Whiting School en directeur van het Institute for NanoBioTechnology.

De resultaten van het team zijn gepubliceerd in Nature Communications .

"Er zijn veel groepen die LNP-onderzoek doen," zei Wang. "Als ze echter een formule ontdekken die goed zou kunnen werken, was het moeilijk om die ontdekkingen terug te koppelen aan de samenstelling en de verdeling van de lading van de nanodeeltjes. Met dit platform kunnen we een uitgebreider begrip geven van wat er gebeurt bij het enkele deeltje niveau."

Er is meer onderzoek nodig om te leren hoeveel mRNA-moleculen per LNP-capsule optimaal zijn voor de meest effectieve behandeling. De lege LNP's die door het nieuwe platform worden onthuld, laten echter zien dat er behoefte is aan verbetering van methoden voor het verpakken van het mRNA in de LNP's.

Mao en Wang zeggen dat hun platform aantoont dat het het potentieel heeft om niet alleen te worden gebruikt in alle stadia van LNP-gerelateerd onderzoek en ontwikkeling, maar ook bij de ontwikkeling van andere systemen voor medicijnafgifte en kwaliteitscontrolemaatregelen in de productiefase. Het team heeft een patentaanvraag ingediend voor de techniek en werkt samen met medewerkers om het platform te gebruiken voor het analyseren van andere soorten therapeutische ladingen in diverse nanodeeltjessystemen voor de behandeling van verschillende ziekten.

"De FDA heeft onlangs aandacht besteed aan de behoefte aan meetgegevens van betere kwaliteit in het ontwerp van nanodeeltjes in de farmaceutische industrie", zegt Michael J. Mitchell, een vooraanstaand wetenschapper op het gebied van LNP-onderzoek en Skirkanich-assistent-professor innovatie bij de afdeling Bioengineering van de universiteit. van Pennsylvania.

"Dit zal steeds belangrijker worden naarmate de mRNA-LNP-technologie zich verder uitbreidt dan vaccins naar nieuwe therapieën die in de bloedbaan worden toegediend en waaraan zeer strenge eisen worden gesteld. Het nieuwe detectieplatform dat is ontwikkeld door het team van Drs. Mao en Wang is een potentieel belangrijke stap voorwaarts in de aanpak van behoeften in de onderzoeks- en regelgevingsfase, en kan mogelijk helpen bij de ontwikkeling van mRNA LNP-technologie die verder gaat dan vaccins." + Verder verkennen

Nieuw platform kan de levering van gengeneesmiddelen eenvoudiger en betaalbaarder maken