Las vacunas COVID que se están implementando actualmente se desarrollaron con una velocidad sin precedentes, pero la tecnología de ARNm que funciona en algunos de ellos es una historia de éxito igualmente impresionante. Debido a que cualquier secuencia de ARNm deseada se puede sintetizar en cantidades masivas, Uno de los mayores obstáculos en una variedad de terapias de ARNm es la capacidad de empaquetar esas secuencias en las nanopartículas de lípidos que las envían a las células.

Ahora, gracias a la tecnología de fabricación desarrollada por bioingenieros e investigadores médicos de la Universidad de Pennsylvania, Pronto será posible un aumento de cien veces en las tasas actuales de producción de microfluidos.

El avance de los investigadores se debe al diseño de un dispositivo de microfluidos de prueba de concepto que contiene 128 canales de mezcla que funcionan en paralelo. Los canales mezclan una cantidad precisa de lípidos y ARNm, esencialmente elaborando nanopartículas de lípidos individuales en una línea de ensamblaje miniaturizada.

Este aumento de velocidad puede no ser el único beneficio; un control más preciso del tamaño de las nanopartículas podría hacer que los tratamientos fueran más efectivos. Los investigadores probaron las nanopartículas de lípidos producidas por su dispositivo en un estudio con ratones. demostrando que podrían entregar secuencias de ARN terapéuticas con una actividad de cuatro a cinco veces mayor que las producidas por métodos convencionales.

El estudio fue dirigido por Michael Mitchell, Skirkanich Profesor adjunto de innovación en el Departamento de Bioingeniería de Penn Engineering, y David Issadore, Profesor asociado en el Departamento de Bioingeniería de Penn Engineering, junto con Sarah Shepherd, un estudiante de doctorado en sus dos laboratorios. Rakan El-Mayta, un ingeniero de investigación en el laboratorio de Mitchell, y Sagar Yadavali, investigador postdoctoral en el laboratorio de Issadore, también contribuyó al estudio.

Colaboraron con varios investigadores de la Facultad de Medicina Perelman de Penn:el investigador postdoctoral Mohamad-Gabriel Alameh, Lili Wang, Profesor Asociado de Investigación de Medicina, James M. Wilson, Profesor del Director del Centro de Enfermedades Huérfanas Rose H. Weiss en el Departamento de Medicina, Claude Warzecha, un investigador de investigación senior en el laboratorio de Wilson, y Drew Weissman, Profesor de Medicina y uno de los desarrolladores originales de la tecnología detrás de las vacunas de ARNm.

Fue publicado en la revista Nano letras .

"Creemos que esta tecnología de microfluidos tiene el potencial de no solo desempeñar un papel clave en la formulación de las vacunas COVID actuales, "dice Mitchell, "sino también para abordar potencialmente la inmensa necesidad que tenemos por delante a medida que la tecnología de ARNm se expande a clases adicionales de terapias".

Las técnicas de fabricación existentes para las vacunas basadas en ARNm utilizan bombas y jeringas controladas por computadora para mezclar cuidadosamente dos soluciones:una que contiene el ARNm terapéutico deseado y otra con los lípidos aceitosos que las encapsularán. El momento y las proporciones correctos son clave para producir nanopartículas utilizables, ya que esos factores determinan en última instancia el tamaño y la capacidad de las nanopartículas para encapsular el ARNm.

Con el tiempo de la esencia Los productores de vacunas COVID optaron por estas técnicas probadas y verdaderas, en lugar de correr el riesgo de retrasos debido a tecnologías de producción no probadas anteriormente.

"Si no tenemos el tiempo o las proporciones de mezcla correctos, "dice Pastor, "la variabilidad en la estructura de las nanopartículas de lípidos obstaculizará su capacidad para sobrevivir el viaje hacia las células objetivo. Si bien nos hemos vuelto muy buenos para determinar la composición ideal de una nanopartícula, todavía tenemos que desarrollar nuevos métodos de producción para formularlos de forma rápida y coherente ".

Pastor, que trabaja en los laboratorios de Mitchell y Issadore, estaba en una posición perfecta para encabezar un estudio que abordaba ambos lados de este problema. El laboratorio de Mitchell utiliza ciencia de materiales, química y herramientas computacionales para diseñar biomateriales novedosos que puedan administrar con precisión productos terapéuticos, como nanopartículas de lípidos, mientras que Issadore combina elementos de microelectrónica, microfluidos, nanomateriales y aprendizaje automático para diseñar chips de microfluidos que sean capaces de fabricarlos.

"Nuestro laboratorio está cada vez más interesado en utilizar microchips para generar formulaciones de medicamentos precisas para la industria farmacéutica, "Dice Issadore." Ha habido una enorme cantidad de promesas en esta tecnología, pero la traducción exitosa a aplicaciones del mundo real ha sido poco común. Esto se debe principalmente a la física fundamental que rige el flujo de fluidos confinados dentro de los canales de micro y nanoescala de estos chips. Significa que su rendimiento tiende a ser hasta un millón de veces más lento de lo necesario para aplicaciones comerciales y clínicas ".

Trabajando con el laboratorio de Mitchell, así como con otros colaboradores como el grupo de Daeyeon Lee, los investigadores han desarrollado recientemente un nuevo enfoque de microfluidos para abordar este desafío fundamental. Esta tecnología de plataforma, denominada Integración de microfluidos a gran escala (VLSMI), permite incorporar decenas de miles de unidades de microfluidos en una sola oblea de vidrio y silicio grabada en tres dimensiones.

Estos canales de mezcla en paralelo permiten que VLSMI tenga el potencial de alcanzar las tasas de producción de litros por hora necesarias para la fabricación de vacunas. Las resistencias de flujo garantizan que cada canal de mezcla reciba las mismas condiciones de flujo y proporción de lípidos y ARN en todo el dispositivo. producir las nanopartículas uniformes críticas para vacunas y aplicaciones terapéuticas.

"Nuestro laboratorio ha utilizado previamente una tecnología de mezcla de microfluidos diseñada a medida para formular nanopartículas de lípidos para terapias de ARNm y vacunas, "Dice Mitchell." Sin embargo, una limitación de nuestro dispositivo interno era la escala de las nanopartículas lipídicas que podíamos producir. Podríamos producir suficientes nanopartículas de lípidos para dosificar animales pequeños, pero no animales y humanos más grandes. El enfoque VLSMI fue muy atractivo para nosotros desde el principio, ya que básicamente podríamos integrar nuestra propia tecnología en este enfoque para poder operar 128 de nuestros propios mezcladores en paralelo ".

Una vez que el equipo diseñó un dispositivo VLSMI capaz de producir nanopartículas lipídicas que transportan ARN en masa, necesitaban probar qué tan efectivos eran. Colaborando con sus colegas en Penn Medicine, realizaron estudios en ratones utilizando dos tipos diferentes de secuencias de ARN, producido por mezcla convencional o su método VLSMI. El primero, diseñado para suprimir la producción de una proteína hepática con una pequeña secuencia de ARN interferente (ARNip), mostró un aumento de cuatro veces en el silenciamiento génico deseado con las nanopartículas VLSMI. El segundo, diseñado para producir una proteína marcadora fluorescente con una secuencia de ARNm, mostró un aumento de cinco veces en comparación con la mezcla convencional.

Estos resultados muestran que VLSMI es un método viable para hacer que las nanopartículas lipídicas sean efectivas para su uso en vacunas y terapias basadas en ARNip y ARNm. pero la técnica deberá seguir creciendo para satisfacer la demanda venidera.

"Las vacunas COVID son solo el comienzo del uso de la tecnología de ARNm en la clínica, "Dice Mitchell." El desarrollo de estas vacunas allanará el camino para una nueva ola de terapias de edición de genes de ARNm y reemplazo de proteínas que revolucionarán la medicina. Esto requerirá la ampliación de la formulación de ARNm en nanopartículas de lípidos a niveles sin precedentes. Esperamos ampliar esta tecnología de prueba de concepto con socios de la industria para desarrollar terapias y vacunas de nanopartículas de lípidos de ARNm escalables ".