高通量配方篩選實現(xiàn)納米藥物的性能特征微調(diào)
作者：Ben Knappett，Particle Works科學(xué)與應(yīng)用主管
基于脂質(zhì)納米顆粒（LNP）技術(shù)的COVID-19 mRNA疫苗遍地開花，充分證明了納米藥物的可行性，吸引了巨量的投資和進一步研究的興趣。市場持續(xù)風(fēng)靡之下，最近的科學(xué)突破表明LNP是有效的藥物遞送系統(tǒng)。然而，為了實現(xiàn)對依賴于精確粒度、形狀和結(jié)構(gòu)的眾多性能特征的微調(diào)，大量不同配方的篩選能力是至關(guān)重要的。自動化系統(tǒng)無疑是理想的選擇，能夠克服常規(guī)低通量LNP制備方法所面臨的挑戰(zhàn)，迄今為止，這種方法仍然限制著篩選選項1。本文討論了微流控技術(shù)與自動化的結(jié)合如何提供必要的控制水平來實現(xiàn)以經(jīng)濟高效且及時的方式進行高通量LNP配方篩選，以及這種方法將如何加速新納米藥物的開發(fā)。納米藥物的前景
納米藥物有潛力克服許多限制著傳統(tǒng)藥物臨床應(yīng)用的不良特性，包括藥代動力學(xué)不佳、生物利用度有限以及毒性高等等2。在納米尺度上，治療藥物可以針對具體的疾病專門定制，精確定位并選擇性地殺傷癌細胞，而不影響周圍的健康細胞。使用LNP作為藥物遞送系統(tǒng)來提高藥物的治療指數(shù)是一種非常驚艷的方法，LNP-mRNA COVID-19疫苗的成功驗證了該技術(shù)的可行性。這種方法在藥物遞送領(lǐng)域引起了廣泛的研究興趣，具有勝于其他方法的核心優(yōu)勢：LNP可高效封裝各種有效載荷；穩(wěn)定藥物遞送量；以及幫助微粒進入靶細胞。然而，一種LNP能否成功要取決于其具體的配方，這會顯著影響其性能。此外，納米藥物的目標(biāo)是臨床應(yīng)用，這意味著LNP必須一致且經(jīng)過充分優(yōu)化，才能安全有效地應(yīng)用于人類。該領(lǐng)域的研究人員正在為每種應(yīng)用尋找最佳的配方，旨在將有前途的封裝生物制劑轉(zhuǎn)化為有效且可行的療法，無論是疫苗、基因療法還是癌癥治療。為此，他們需要能夠可重復(fù)地生成性能特征經(jīng)過微調(diào)的均勻微粒3。
特殊的微粒
LNP的精心設(shè)計是確保它們能夠執(zhí)行一系列復(fù)雜動作的關(guān)鍵，包括跨細胞膜運輸和細胞內(nèi)的釋放機制，同時要保持治療載荷的完整性。為了使最終的納米藥物具有更高的生物效能，LNP的性能特征必須經(jīng)過優(yōu)化以便成功轉(zhuǎn)染人體細胞。尺寸是平衡最佳的攝取與遞送的重要參數(shù)，75至95 nm之間的配方性能最佳4, 5。封裝效率（EE，或“藥物載量”）描述了最終有多少生物制劑進入脂質(zhì)載體內(nèi)部，通常需要超過90%6。多分散性指數(shù)（PDI）則描述了微粒尺寸分布的不均勻程度，該值在0.2及以下通常被認為是可接受的7。理想的性能指標(biāo)可以通過改變微粒的脂質(zhì)體納米配方來靶向。
探求完美的納米配方
LNP制劑的生物功效在很大程度上取決于四種脂質(zhì)成分（可電離脂質(zhì)、磷脂、聚乙二醇化脂質(zhì)和膽固醇）的系統(tǒng)優(yōu)化，每種成分都為微粒性能提供了獨特的功能性（表1）1, 8。脂質(zhì)材料的類型和摩爾比可以改變（其中三類在臨床使用中有多種選擇），需要測試表1中的所有組合，如此已至少需要24次實驗。然而，當(dāng)考慮到其他能夠微調(diào)性能特征的因素時，實驗的數(shù)量將陡然增加。這些因素包括：藥物濃度、讀長或序列；顆粒的電荷比；以及工藝參數(shù)，包括總流速、試劑混合反應(yīng)動力學(xué)以及緩沖液的pH值、類型或濃度。
表1 脂質(zhì)分類
| Lipid type 脂質(zhì)類型 |
Options in clinical use 臨床應(yīng)用選擇 |
| Ionizable 可電離脂質(zhì) |
SM-102 MC3 9A1P9 |
| Phospholipid 磷脂 |
Phospholipon-90G DSPC |
| PEGylated PEG化脂質(zhì) |
DMG-PEG2000 DOPE-PEG2000 DSPE-PEG2000 DSPE-PEG5000 |
| Cholesterol 膽固醇 |
- |
巨大的試驗領(lǐng)域
為了確定顆粒性能的最優(yōu)解，配方參數(shù)的每一種的排列組合都必須合成少量的樣品。在隨后的批量篩選過程中，將對其進行理化表征，并選出最有前途的納米配方繼續(xù)推進。這個過程并不容易，很大程度上依賴于反復(fù)地試錯，可能需要上億次的探索。試驗過程還必須保持一致且需要工藝驗證，使材料和耗材的成本高昂，同時需要巨大的人力和時間投入。低通量的手動篩選過程會給后續(xù)的測定和表征步驟帶來巨大的瓶頸。如果沒有自動化，就有可能在眾多干擾中丟失完美的納米配方，使創(chuàng)新受阻3。
配方篩選中的自動化與控制
由于下游篩選過程中自動化的缺失，研究人員所面臨的是一場漫長且成本高昂的艱苦戰(zhàn)斗。人們需要一種能夠?qū)⒖焖傧掠喂に嚺c受控的待測納米配方合成相結(jié)合的平臺，包括實現(xiàn)篩選步驟自動化和工藝參數(shù)調(diào)整自動化的能力。微流控裝置可以通過在微米尺度上操控流體來實現(xiàn)這一目標(biāo)，生成可重復(fù)的單分散納米配方。這些技術(shù)已經(jīng)被用于合成物理特性更加可控的LNP，但到目前為止，這種方法還無法實現(xiàn)充分的自動化9。
現(xiàn)有的微流控系統(tǒng)在用于配方篩選時，一次只能進行一項試驗，然后需要手動更改實驗參數(shù)。然而，現(xiàn)代微流控平臺則通過自動化克服了這一問題，可實現(xiàn)有效且高通量的LNP配方篩選。近期的發(fā)展見證了多款創(chuàng)新平臺的上市，它們能夠顯著縮短篩選時間，提供出色的工藝一致性，自動化程度更高，同時最大限度地降低了運行成本（圖1）。這些系統(tǒng)采用96孔板樣品規(guī)格（在大約6小時內(nèi)完成多達96項試驗），兼容現(xiàn)行的上游和下游工作流程，可實現(xiàn)顆粒生產(chǎn)中所有階段之間的輕松轉(zhuǎn)移。得益于試驗批次之間的自動清洗功能以及采用了可重復(fù)使用的微流控芯片，此類平臺可提供極大的靈活性，并且?guī)缀醪恍枰脩舾深A(yù)。一套系統(tǒng)既可以用于工藝優(yōu)化，也可以用于連續(xù)生產(chǎn)，實現(xiàn)由篩選到放大的無縫銜接，并使研究人員能夠加快納米藥物的發(fā)現(xiàn)階段。
圖1. 一款基于微流控技術(shù)的自動化高通量配方篩選平臺。
總結(jié)
納米藥物具有改變患者治療方式的潛力，而封裝生物材料已經(jīng)成為了基因藥物和疫苗早期開發(fā)的一個重要部分。為了將一款基于LNP的治療藥物推向全球市場，研究人員需要考慮從納米配方篩選到轉(zhuǎn)化進入臨床，并最終實現(xiàn)商業(yè)化的速度能有多快。想要可靠且可重復(fù)地合成具有理想性能特征的LNP，同時避免過分高昂的成本和漫長的開發(fā)周期，顯然需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)出色可控合成的自動化高通量篩選平臺。新型的微流控系統(tǒng)通過將可控的LNP配方合成與自動化高通量配方篩選相結(jié)合，滿足了這一需求。這將加速基于脂質(zhì)遞送機制的治療藥物的開發(fā)，推進基因藥物和癌癥治療的遞送以滿足緊迫的全球需求。
作者簡介
Ben Knappett于杜倫大學(xué)取得了化學(xué)碩士學(xué)位，并于劍橋大學(xué)取得了納米顆粒合成與表征博士學(xué)位。2016年，Ben開始在Particle Works任職，負責(zé)利用微流控技術(shù)開發(fā)納米顆粒和微米顆粒產(chǎn)品，涵蓋了廣泛的材料類型。2021年，Particle Works品牌作為自動化納米顆粒合成平臺的供應(yīng)商重新出發(fā)，Ben則升任現(xiàn)在的科學(xué)與應(yīng)用主管一職。該職位需要領(lǐng)導(dǎo)一個科學(xué)家團隊，負責(zé)指定和測試新的Particle Works系統(tǒng)、產(chǎn)出應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容、并為客戶提供安裝和培訓(xùn)以及售后應(yīng)用上的支持。Ben和他的實驗室團隊還進行了原理驗證研究，以展示Particle Works系統(tǒng)對于客戶材料的處理能力。
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標(biāo)簽：
納米遞送
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