利用等比例扩大管道尺寸实现用于核酸药物递送的脂质纳米颗粒的可扩展化合成

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分享： 2023/09/14 16:59:21

基于脂质纳米粒子（LNPs）的核酸药物递送系统已经被证明在基因编辑、癌症治疗、传染病预防、慢性病治疗等领域具有巨大潜力。微流控技术作为一种高效的可调合成平台，可以在LNPs的合成过程中精确控制流动参数，包括流量比、总流量以及脂质浓度等，从而实现不同尺寸的粒子合成。这对于实现不同器官的精准靶向具有重要意义，是当前科学研究的一个关键焦点。然而，将LNPs从实验室研发成功转化为临床应用仍然面临一个严峻的挑战：如何稳健地实现制备规模的放大。

目前，规模化合成LNPs的方法主要分为并行化合成策略和通道尺寸扩大策略两种。虽然并行化合成策略原理简单，但需要建立复杂的系统以确保流量分配的稳定性，因此尚未在LNPs的工业制造中广泛应用。通道尺寸扩大策略则采用更大尺寸的单一芯片，提高了最大容许流量，并通过高流速下的湍流混合来确保极限尺寸纳米粒子的合成，例如受限撞击射流混合器和T型混合器。然而，尽管后者能够实现稳定的大规模生产，但在不同流速下难以维持一致的粒径和尺寸分布。因此，我们迫切需要一种创新性的方法，既能保证可扩展的合成，又能维持LNPs的一致性和稳定性。

为此，中科大工程学院褚家如教授团队的李保庆副教授与生命科学与医学部田长麟教授团队深入研究后，提出了一种创新的脂质纳米粒子合成策略，即“等比例缩放通道尺寸实现LNPs的可扩展合成”。这一策略通过在三个维度上等比例缩放惯性微流体混合器，并且通过控制混合时间保持一致来确保一致粒径分布的LNPs的合成。这一策略为LNPs的大规模生产提供了实际可行的途径。相关研究成果已发表在Nano Research上。中国科学技术大学在读博士生马泽森和童海洋为共同第一作者。

合作团队首先研制了一种高效的惯性流混合器，该混合器充分利用了流体的惯性效应，包括迪恩涡、分离涡以及分离重组效应，以显著提高混合效率。与其他惯性流混合器相比，这种混合器在更低的雷诺数下也能实现充分混合。利用这一混合器，合作团队研究了两种LNPs配方在不同混合时间下的粒径分布，发现混合时间和粒径之间存在良好的线性关系。因此，合作团队推测，通过在不同混合器中控制混合时间的一致性，可以实现具有相同粒径分布的LNPs的合成。

基于这一构想，合作团队等比例缩放了该惯性流体微混合器，并使用高精度3D打印和激光加工制备了具有不同通道尺寸的芯片。这些芯片用于实现不同通量条件下的LNP筛选和规模化制备的一致性。对于管道尺寸小于100μm的芯片，选择了摩方精密nanoArch S130设备进行打印和加工，以确保尺寸得到精确控制，从而实现了小于1mL/min流量下均匀的LNPs的合成。此外，合作团队还基于流体力学的相似性理论进行了研究，通过量纲分析和实验标定，总结出了不同管道尺寸混合器实现相同混合时间的流量关系。经过实验验证，在相同的混合时间下合成的LNPs具有一致的粒径、分散性以及包封率。此外，合作团队还验证了具有相同粒径的LNPs在核酸递送方面的能力，成功合成了包封siRNA的LNPs，并证明了它们具有相同的基因沉默效力。

总体而言，合作团队提出的“等比例缩放通道尺寸实现可扩展化合成”的策略为核酸药物的大规模生产提供了一种简单、可靠且稳定的途径。这一方法有望极大地加速LNPs药物从早期开发阶段迈向临床应用，推动核酸药物研发进入崭新的领域，为人类健康做出重要贡献。

利用摩方精密nanoArch S130设备打印加工的管道尺寸分别为50μm和100μm的微流控芯片模具。其中XY方向上的精度为2μm，Z方向上的精度为5μm，样件尺寸为30mm×40mm。

图1 惯性流混合器的结构以及原理示意图。(a)混合器的结构示意图。(b)利用混合器合成脂质纳米粒子的原理示意图。(c)混合器混合机理示意图。三种惯性流效应共同促进了混合，包括迪恩涡、分离涡以及分离重组效应。

图2 利用计算流体力学仿真不同管道尺寸混合器的流型相似性。(a)前两个混合单元混合流型的顶部视图。(b)三种管道尺寸混合器在不同雷诺数下的流型相似性。

图3 通道尺寸为100、250和500μm的混合器的前两个混合元件的流态俯视图。流动状态包括层流（Re=25和132）、瞬态流（Re=264）和湍流（Re=396）。图像经过数字处理以增强对比度。将溶解有黑色染料（0.025g/mL）作为示踪剂的去离子水和乙醇以3:1的FRR泵入混合器中。流动方向是从左到右。其中100μm的芯片是通过摩方精密nanoArch S130设备打印进行加工。