La plataforma de detección molecular proporciona nuevos conocimientos sobre la fabricación de medicamentos genéticos

Mecanismos de determinación de la capacidad de carga útil y distribución de mRNA LNPs por el contenido de PEG. a, b Los procesos de ensamblaje hipotéticos y las características de la formulación de LNP con una alta concentración de PEG mol% (a); o una baja concentración de PEG mol% (b) y la composición cambia durante la diálisis de pH 4,0 (izquierda) a pH 7,4 (derecha). Las fracciones poblacionales etiquetadas son datos reales de la formulación con PEG mol% = 1.5% (a) o 0.5% (b). a Cada etiqueta numérica representa un comportamiento poblacional durante la diálisis:1, división de LNP vacíos; 2, estabilización de LNP vacíos; 3, división de complejos lipofílicos con una carga útil de ARNm inicialmente alta; 4, manteniendo una misma carga útil de ARNm para complejos lipofílicos con una carga útil inicialmente baja o intermedia; 5, fusión de LNP vacíos con complejos de ARNm; 6, fusión de complejos no lipofílicos. La cruz representa el hallazgo de que la carga útil de ARNm de los complejos lipofílicos no aumenta durante la diálisis debido a la falta de fusión en esta condición. b Las etiquetas son:1, fusión entre complejos lipofílicos; 2, fusión de LNP vacíos con complejos de ARNm; 3, fusión de complejos no lipofílicos; 4, división de LNP vacíos. Crédito:Comunicaciones de la naturaleza (2022). DOI:10.1038/s41467-022-33157-4

Un componente importante de las vacunas que protegen a las personas contra el virus SARS-CoV-2 y sus variantes son las nanopartículas lipídicas o LNP. Estas partículas circulares transportan cargas útiles de ARNm terapéutico, los fragmentos de material genético que activan nuestro sistema inmunológico para defenderse contra COVID-19.

Incluso con su éxito, se desconocen ciertas características de las partículas, como la distribución de la carga útil. Los investigadores y la Administración de Alimentos y Medicamentos quieren más información sobre estas características para mejorar los informes de métricas en la fabricación farmacéutica.

Una nueva plataforma de detección molecular desarrollada por dos profesores de la Escuela de Ingeniería de Whiting está respondiendo a la llamada de la FDA. Hai-Quan Mao y Tza-Huei (Jeff) Wang quieren abordar cuántas moléculas de ARNm puede transportar un LNP y si el ARNm está empaquetado uniformemente dentro de la partícula para ayudar a los investigadores a diseñar tratamientos y vacunas más eficientes y efectivos.

"Nuestra plataforma procesa moléculas a nivel de nanopartículas individuales, pero a diferencia de los métodos de imagen actuales para los LNP de ARNm, nuestro enfoque se basa en la espectroscopia fluorescente y nos da la capacidad de ver a través de las partículas", dijo Wang, profesor de los departamentos de Mecánica. Ingeniería y Ingeniería Biomédica en la Escuela Whiting, e investigador principal en el Instituto de NanoBioTecnología.

La capacidad de mirar dentro de las nanopartículas permite a los investigadores diferenciar y medir los LNP vacíos que no contienen ARNm, los LNP con ARNm y el ARNm que flota libremente en una muestra.

Su plataforma, llamada espectroscopia confocal de iluminación cilíndrica, o CISC, funciona etiquetando componentes de ARNm y LNP con señales fluorescentes de hasta tres colores y pasando la muestra a través de un plano de detección. El plano de detección lee las señales fluorescentes y mide su intensidad antes de comparar la fuerza de las intensidades con la de una sola molécula de ARNm.

El análisis de datos con un algoritmo llamado deconvolución le dice al equipo cuántas copias de ARNm hay dentro del LNP, si las hay, y su distribución en la muestra. La plataforma del equipo supera las limitaciones de contraste y aumenta el rendimiento del análisis de muestras, que se observa en la microscopía electrónica de criotransmisión, el estándar de oro actual para obtener imágenes de LNP de ARNm.

Las pruebas realizadas con esta plataforma de detección revelaron que, a partir de una solución de referencia de mRNA LNP utilizada en estudios de investigación académica, más del 50 % de los LNP no están cargados con moléculas de mRNA, y de los LNP llenos de mRNA, la mayoría contenía de dos a tres mRNA. moléculas por partícula.

"Nunca antes se había logrado resolver cuantitativamente las características de carga útil de los LNP de ARNm en el nivel de una sola partícula. Estamos intrigados por la presencia sustancial de LNP vacíos y, al alterar las condiciones de la formulación, una sola nanopartícula puede cargar tan solo uno o tantos hasta diez moléculas de ARNm", dijo Mao, profesor en los departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Biomédica en la Escuela Whiting y director del Instituto de NanoBioTecnología.

Los resultados del equipo se publican en Nature Communications .

"Hay muchos grupos que investigan LNP", dijo Wang. "Sin embargo, cuando descubren una fórmula que podría funcionar bien, ha sido difícil asociar esos descubrimientos con la composición y la distribución de la carga útil de las nanopartículas. Con esta plataforma podemos proporcionar una comprensión más completa de lo que sucede en la partícula individual". nivel."

Se necesita más investigación para saber cuántas moléculas de ARNm por cápsula de LNP son óptimas para el tratamiento más eficaz. Sin embargo, los LNP vacíos revelados por la nueva plataforma muestran que es necesario mejorar los métodos para empaquetar el ARNm dentro de los LNP.

Mao y Wang dicen que su plataforma muestra que tiene el potencial no solo para usarse en todas las etapas de investigación y desarrollo relacionadas con LNP, sino también en el desarrollo de otros sistemas de administración de medicamentos y medidas de control de calidad en la etapa de fabricación. El equipo ha presentado una solicitud de patente que cubre la técnica y está trabajando con colaboradores para usar la plataforma para analizar otros tipos de cargas terapéuticas en diversos sistemas de nanopartículas para el tratamiento de diferentes enfermedades.

"La FDA ha abordado recientemente la necesidad de mejores métricas de calidad en el diseño de nanopartículas en la industria farmacéutica", dijo Michael J. Mitchell, científico líder en el campo de la investigación de LNP y profesor asistente de innovación Skirkanich en el Departamento de Bioingeniería de la Universidad. de Pensilvania.

"Esto será cada vez más importante a medida que la tecnología mRNA LNP se expanda más allá de las vacunas hacia nuevas terapias que se administran en el torrente sanguíneo, que tienen requisitos muy estrictos. La nueva plataforma de detección desarrollada por los doctores Mao y el equipo de Wang es un paso adelante potencialmente importante para abordar necesita en la fase de investigación y regulación, y puede ayudar potencialmente en el desarrollo de la tecnología mRNA LNP más allá de las vacunas". + Explora más