Оптимальное Я

Том 12 научных докладов, номер статьи: 9483 (2022) Цитировать эту статью

7512 Доступов

7 цитат

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Липидные наночастицы (ЛНЧ) для доставки РНК и ДНК привлекли значительное внимание из-за их способности лечить широкий спектр заболеваний и векторизировать мРНК для вакцин против COVID. ЛНЧ производятся путем смешивания биомолекул и липидов, которые самособираются с образованием желаемой структуры. В этой области микрофлюидика демонстрирует явные преимущества: высокое качество смешивания, низкие стрессовые условия и быстрая подготовка. Исследования ЛНЧ, полученных в микросмесителях, выявили в определенных диапазонах скоростей потока ухудшение характеристик с точки зрения размера, монодисперсности и эффективности инкапсуляции. В этом исследовании мы сосредоточимся на кольцевом микромиксере, который хорошо приспособлен к высокой производительности. Мы выявили три режима: параллельный, переходный и сильно смешанный, которые контролируют производительность смешивания устройства. Кроме того, с помощью крио-ПЭМ и биохимического анализа мы показываем, что эффективность смешивания сильно коррелирует с характеристиками производимых нами ЛНЧ. Мы подчеркиваем важность соотношения расходов и предлагаем физический критерий, основанный на возникновении временных нестабильностей, для получения ЛНЧ с оптимальными характеристиками с точки зрения геометрии, монодисперсности и выхода инкапсуляции. Эти критерии в целом применимы.

За последнее десятилетие было достигнуто множество успехов. Действительно, с момента появления первых микромиксеров в начале века было разработано около сотни функциональных устройств, основанных на различных концепциях. Все они имеют преимущества и недостатки, но в целом пользователи часто находят в каталоге микрофлюидных смесителей геометрии, соответствующие их применению, интересующимся1,2,3. В последние годы возникла идея использования этих устройств для производства ЛНЧ (липидных наночастиц)4,5. ЛНЧ стали золотым стандартом доставки нуклеиновых кислот6. Они представляют собой сложные наночастицы диаметром 50–100 нм, состоящие в основном из катионных ионизируемых липидов, которые могут отделяться от других липидных компонентов при нейтрализации их зарядов, что приводит к образованию аморфных капель масла в ядре ЛНЧ, как описано в недавнее исследование7,8. Терапевтическая молекула в ЛНЧ зависит от применения. Это может быть ДНК, мРНК или миРНК. Функциональные объекты, захваченные или адсорбированные на границе раздела, включают фрагменты ПЭГ (обычно связанные с липидной цепью), хелперные липиды и холестерин. Липидные наночастицы обладают многими преимуществами по сравнению с предыдущими системами доставки нуклеиновых кислот на основе липидов: высокая эффективность инкапсуляции нуклеиновых кислот, более мощная трансфекция, улучшенное проникновение в ткани, а также низкая цитотоксичность и иммуногенность. Эти характеристики делают липидные наночастицы отличными кандидатами для доставки нуклеиновых кислот, как было продемонстрировано вакцинами против COVID на основе мРНК.

ЛНП образуются в процессе самосборки. Численное моделирование показывает, что процесс самосборки включает три этапа: сборка частиц в дискоидальные кластеры, агрегация кластеров в более крупные мембранные участки и образование везикул9. Самосборка путем диффузии будет слишком медленной (это займет несколько дней), поэтому необходимо гидродинамическое перемешивание. Возможно использование стандартных миксеров5 в больших емкостях. Однако эти смесители создают полидисперсность по размерам наряду с низкой эффективностью инкапсуляции. Следовательно, для улучшения качества ЛНЧ, полученных таким способом, необходимы этапы постобработки, такие как фильтрация, экструзия и центрифугирование. В этом контексте актуально использование микрофлюидных миксеров. Недавно было продемонстрировано, что микрофлюидика позволяет производить ЛНЧ приемлемого качества с точки зрения монодисперсности и выхода инкапсулирования за одну стадию с высокими выходами. В работах Fujishima et al.10 и Shepherd et al.11 использовался шахматный микромиксер «елочка»12. Одним из недостатков микромиксеров «елочка» является их низкая производительность. Это ограничение можно обойти, распараллелив систему11. Однако этот вариант усложняет, увеличивает стоимость и снижает надежность. Инерционные микромиксеры, которые работают при значительно более высоких скоростях потока и, следовательно, более высокой производительности, предлагают решение, но до сих пор, хотя в литературе можно найти некоторые указания, условия, при которых они должны работать для получения функциональных ЛНЧ, еще полностью не выяснены.

4 ml/min: Highly mixed regime with homogeneity factors above 80% and flat, reproducible concentration profiles. The Reynolds number range lies between 220 and the maximum value reached in the experiment, i.e., 1100./p> 4 ml/min at 7% (see Fig. 8B). In parallel, the EE was approximately 60% below 2 ml/mn, while particles formed at higher Q, above 4 ml/min, had an EE of approximately 80% (see Fig. 8C). These results were consistent with the results of the mixing study we performed. We have plotted, on the same graph, the boundaries of the three zones we singled out in Fig. 7 i.e., the poorly mixed, transition and highly mixed regions. Notably, the characteristics of the LNP structure correlate well with the mixing characteristics of the device. In addition, the ζ potential, indicating the effective surface charge29, was also measured. Regardless of the flow rate used, all LNPs exhibited a zeta potential of ζ = − 13 mV + /− 4 mV at pH 7.4 and were thus slightly negative. The measurement was consistent with Ref25 and suggested a loss of the positive charge of the ionizable lipid./p> 4 mL/min. At high FRR, \(\varepsilon_{m}\) is close to that of water, and the LNPs have optimal properties, while at small FRR, \(\varepsilon_{m}\) is substantially smaller, the energy landscape ‘seen’ by the LNP constituents is changed, and we may hypothesize that this affects the self-assembling process and thereby LNP morphologies in a detrimental manner. This type of situation occurs when important quantities of ethanol are used in the formulation24,30,31,32. From Fig. 9C, we estimate that the crossover between the nonoptimal and optimal cases is located around an effective relative dielectric constant \(\varepsilon_{m}\) close to 60, still for Q = 4 ml/min, which corresponds to a flow-rate ratio (FRR) on the order of 2./p>

Блог