Ein Mikrochip, der die Produktion von mRNA-Therapeutika und Impfstoffen revolutionieren soll

Nach der globalen COVID-19-Pandemie hat die Entwicklung und der schnelle Einsatz von mRNA-Impfstoffen die entscheidende Rolle von Lipid-Nanopartikeln (LNPs) im Zusammenhang mit Arzneimitteln hervorgehoben. LNPs werden als wesentliche Transportvehikel für fragile RNA-basierte Therapien und Impfstoffe eingesetzt und schützen die RNA vor Abbau und gewährleisten eine wirksame Lieferung im Körper.

Trotz ihrer entscheidenden Bedeutung kam es bei der großtechnischen Herstellung dieser LNPs während der Pandemie zu zahlreichen Engpässen, was den Bedarf an skalierbaren Produktionstechniken unterstreicht, die mit der weltweiten Nachfrage Schritt halten können.

Nun, in einem Artikel, der in der veröffentlicht wurde Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenForscher der University of Pennsylvania beschreiben, wie die Silicon Scalable Lipid Nanoparticle Generation Platform (SCALAR), eine wiederverwendbare Plattform auf Silizium- und Glasbasis, die die Produktionslandschaft von LNPs für RNA-Therapeutika und Impfstoffe verändern soll, eine skalierbare und effiziente Lösung bietet die Herausforderungen, die sich während der COVID-19-Krise ergeben haben.

„Wir freuen uns, eine Technologieplattform zu schaffen, die die Lücke zwischen der Entdeckung im kleinen Maßstab und der Herstellung im großen Maßstab im Bereich der Impfstoffe und Therapeutika mit RNA-Lipid-Nanopartikeln schließt“, sagt Co-Autor Michael Mitchell, außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen in die School of Engineering and Applied Science in Penn. „Auf diese Weise haben wir effektiv die umständlichen, zeitaufwändigen und kostspieligen Hindernisse überwunden, die den Produktionsanlauf vielversprechender neuer RNA-Medikamente und -Impfstoffe verlangsamen.“

Die Komplexität RNA-basierter Therapien erfordert, dass die RNA in ein Abgabesystem eingeschlossen ist, das in der Lage ist, die biologischen Hindernisse des Körpers zu überwinden. LNPs erfüllen diese Rolle und ermöglichen es der RNA, die beabsichtigten Zellen zu erreichen, um eine maximale therapeutische Wirkung zu erzielen. SCALAR möchte noch einen Schritt weiter gehen und eine beispiellose Skalierbarkeit der LNP-Produktionsraten um drei Größenordnungen ermöglichen und so die Geschwindigkeits- und Konsistenzengpässe beseitigen, die bestehende Methoden behindern.

Sarah Shepherd, die Erstautorin des Artikels und kürzlich promovierte Dr. Absolvent, der im Mitchell Lab arbeitete, sagt: „Mit SCALAR reagieren wir nicht nur auf die Herausforderungen von heute, sondern bereiten uns proaktiv auf die Chancen und Krisen von morgen vor. Diese Technologie ist flexibel, nutzt in der Mikrofluidik gut dokumentierte Mischarchitekturen und ist ausreichend skalierbar.“ um künftigen Anforderungen in Echtzeit gerecht zu werden. Das ist ein enormer Fortschritt für die Branche.“

Shepherd sagt, dass SCALAR auf früheren Arbeiten des Mitchell-Labors aufbaut und auf einer mikrofluidischen Chip-Plattform basiert. Ähnlich einem Computerchip, bei dem der elektrisch integrierte Schaltkreis eines Computers über zahlreiche kleine Transistoren verfügt, die Signale als Einsen oder Nullen transportieren, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, steuert der SCALAR-Mikrochip präzise seine beiden Schlüsselreagenzien, Lipide und RNA, um LNPs zu erzeugen.

Darüber hinaus kann ihre Plattform über eine, 10 oder 256 einzelne Mischeinheiten verfügen, um den Anforderungen der Anwendungsfälle gerecht zu werden, die von Arzneimittelscreening und -entwicklung im kleinen Maßstab über Formulierungen im mittleren Maßstab für In-vivo-Studien bis hin zu groß angelegten Formulierungen reichen Formulierungen für klinische Anwendungen.

Um die Konsistenz über alle Maßstäbe hinweg zu gewährleisten, wird für alle Geräte die gleiche Mikrofluidik-Mischarchitektur verwendet. Um sicherzustellen, dass die beiden Schlüsselreagenzien gleichmäßig auf jedes Gerät im Array verteilt werden, hat das Team Mikrokanäle mit hohem Fluidwiderstand in das zuvor festgelegte Design integriert Designregeln für große mikrofluidische Geräte. Dies garantiert, dass jedes Gerät im Multi-Unit-Array LNPs mit identischen physikalischen Eigenschaften produziert, ein Schlüsselmerkmal in der streng regulierten Pharmaindustrie.

„Wir sind begeistert, dass wir den Reinraum im Singh Center nutzen konnten, um Mehrzweckchips herzustellen, die der hohen Hitze und den aggressiven Lösungsmitteln standhalten, die zum Reinigen der Chips erforderlich sind, sodass sie sicher wiederverwendbar sind“, sagt Shepherd.

Die SCALAR-Chips bestehen aus Silizium und Glas, was mehrere Vorteile gegenüber bestehenden Plattformen auf Polymerbasis bietet. Sie verhindern nicht nur die mit diesen Plattformen verbundenen Materialauslaugprobleme, die zu Kontaminationen führen, sondern ermöglichen auch die Sterilisation bei extrem hohen Temperaturen, was sie ideal für pharmazeutische Anwendungen macht. Darüber hinaus kann die Plattform zurückgesetzt und wiederverwendet werden, was Vorteile für die Umwelt bietet und die Gesamtherstellungskosten senkt.

Während die Forscher ursprünglich die SCALAR-Plattform zur Formulierung von SARS-CoV-2-Spike-kodierenden mRNA-LNP-Impfstoffen nutzten, glauben sie, dass die Anwendungen weitaus umfassender sind.

„Sarahs Arbeit löst nicht nur einen aktuellen und kritischen Bedarf in der Pharmaindustrie, sondern ist auch eine virtuose Kombination aus Mikrofabrikations-, Mikrofluidik- und Lipid-Nanopartikel-Technologien“, sagt Co-Autor David Issadore, Professor für Bioingenieurwesen an der School of Engineering and Applied Science bei Penn. „Es gibt nur sehr wenige Studenten, die im Zeitrahmen ihrer Doktorarbeit etwas so Ehrgeiziges hätten schaffen können.“

„Diese Technologie hat das Potenzial, über RNA-basierte Therapien hinaus zu einem Eckpfeiler auf dem Gebiet der Nanomedizin zu werden“, sagt Mitchell. „Die Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit der SCALAR-Chips könnten sie durchaus zum Schweizer Taschenmesser im Werkzeugkasten für die pharmazeutische Herstellung von RNA-Lipid-Nanopartikeln machen.“