微流体装置迅速提供mRNA纳米颗粒

的冠状病毒病目前正在部署的疫苗以前所未有的速度发展，但是MRNA.在其中一些工作中的技术是同样令人印象深刻的成功故事。因为任何所需的mRNA序列可以以大量合成，所以各种mRNA疗法中最大的障碍物之一是将这些序列包装到将它们递送到细胞中的脂质纳米颗粒中的能力。

现在，感谢制造技术开发的生物工程以及宾夕法尼亚大学的医学研究人员表示，将目前的微流体生产速度提高100倍可能很快就会实现。研究人员的进步源于他们的概念验证设计微流体装置包含128个混合通道并行工作。这些通道混合了一定量的脂质和mRNA，本质上是在一个小型装配线上制造单个的脂质纳米颗粒。

这种增加的速度可能不是唯一的好处;更精确地控制纳米粒子“大小可能会让治疗更有效。研究人员在小鼠实验中测试了他们的设备产生的脂质纳米颗粒，结果显示，它们能够传递治疗性RNA序列，其活性比传统方法产生的活性高4到5倍。

“我们相信，这种微流体技术不仅有可能在当前COVID - 19疫苗的配方中发挥关键作用，”宾夕法尼亚大学工程系生物工程系创新助理教授迈克尔·米切尔说，“同时也潜在地解决了我们面前的巨大需求，因为信使rna技术将扩展到其他种类的治疗。”

现有的基于mRNA的疫苗制造技术使用计算机控制的泵和注射器仔细混合两种溶液:一种含有所需的治疗性信使rna，另一种含有将其包裹起来的油性脂质。正确的时间和比例是产生可用纳米颗粒的关键，因为这些因素最终决定了纳米颗粒的大小和封装mRNA的能力。

随着时间的推移，COVID - 19疫苗生产商选择了这些经过验证的技术，而不是冒着被以前未经证实的生产技术推迟的风险。“如果我们没有正确的混合时间或比例，”米切尔实验室的博士生莎拉·谢泼德说。“脂质纳米颗粒结构的多样性将阻碍其进入目标细胞的生存能力。虽然我们已经很好地确定了纳米颗粒的理想成分，但我们仍然需要开发新的生产方法，以快速和一致地制定它们。”

谢泼德处于一个完美的位置来带头研究这个问题的两个方面。米切尔的实验室利用材料科学、化学和计算工具来设计能够精确递送治疗药物的新型生物材料——比如脂质纳米颗粒——而伊萨多的实验室则结合了微电子学、微流体学、纳米材料和机器学习的元素来设计能够制造这些药物的微流体芯片。

“我们的实验室越来越有兴趣利用微芯片为制药行业产生精确的药物制剂，”宾夕法尼亚州宾夕法尼亚工业部的副教授David Issadore表示。“在这项技术中存在巨大的承诺，但与现实世界应用的成功翻译是罕见的。这主要是由于控制这些芯片的微型和纳米级通道内的流体流动的基本物理。它意味着它们的吞吐量往往比商业和临床应用所需的速度慢一百万倍。“

研究人员最近开发出一种解决这一基本挑战的新型微流体方法，以及米切尔的实验室以及其他合作者，如Daeyeon Lee集团，如Daeyeon Lee集团，如Daeyeon Lee集团。该平台技术称为非常大规模的微流体集成（Vlsmi），允许成千上万的微流体单元结合到单个三维蚀刻的硅和玻璃晶片中。

这些并行的混合通道使VLSMI有潜力实现疫苗生产所需的每小时升产量。流动电阻确保每个混合通道在整个设备中获得相同的流动条件和脂质和rna的比例，生产出对疫苗和治疗应用至关重要的均匀纳米颗粒。

米切尔说:“我们的实验室以前使用了定制设计的微流体混合技术，为信使rna疗法和疫苗制备脂质纳米颗粒。”“然而，我们内部设备的一个限制是我们可以生产的脂质纳米颗粒的规模。我们可以制造足够的脂质纳米颗粒给小动物，但不能给大动物和人类。VLSMI方法从一开始就对我们很有吸引力，因为我们可以把我们自己的技术集成到这种方法中，这样我们就可以同时操作128台我们自己的混合器。”

一旦该团队设计出能够批量生产携带rna的脂质纳米颗粒的VLSMI设备，他们就需要测试其有效性。他们与宾夕法尼亚医学院的同事合作，用两种不同类型的RNA序列在老鼠身上进行研究，这两种RNA序列是通过常规混合或VLSMI方法产生的。第一种，设计用于通过小干扰RNA (siRNA)序列抑制肝脏蛋白的产生，显示出使用VLSMI纳米颗粒时所需的基因沉默增加了四倍。第二种是设计用来产生带有信使rna序列的荧光标记蛋白，与传统混合相比增加了5倍。

这些结果表明，VLSMI是一种可行的方法，可以使脂质纳米颗粒有效地用于基于siRNA和mrna的疫苗和治疗，但这项技术还需要继续发展，以满足未来的需求。

“Covid疫苗只是在诊所使用mRNA技术的开始，”米切尔说。“这些疫苗的开发将为新的mRNA基因编辑和蛋白质替代治疗方法铺平道路，这些方法将彻底改变医学。这将需要扩展在脂纳米颗粒中的mRNA，以前所未有的水平。我们期待扩大这种证明- 概念技术与行业合作伙伴开发可扩展的mRNA脂纳米粒子治疗和疫苗。“

这项研究发表在纳米字母．