SCALAR: Een microchip die is ontworpen om de productie van mRNA-therapieën en vaccins te transformeren

Na de wereldwijde COVID-19-pandemie heeft de ontwikkeling en snelle inzet van mRNA-vaccins de cruciale rol van lipidenanodeeltjes (LNP’s) in de context van farmaceutische producten benadrukt. LNP’s worden gebruikt als essentiële transportmiddelen voor fragiele, op RNA gebaseerde therapieën en vaccins. Ze beschermen het RNA tegen afbraak en zorgen voor een effectieve afgifte in het lichaam.

Ondanks hun cruciale belang kende de grootschalige productie van deze LNP’s tijdens de pandemie talloze knelpunten, wat de behoefte aan schaalbare productietechnieken onderstreepte die gelijke tred konden houden met de mondiale vraag.

Nu, in een artikel gepubliceerd in de Procedures van de National Academy of Sciencesbeschrijven onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hoe het Silicon Scalable Lipid Nanoparticle Generation-platform (SCALAR), een herbruikbaar op silicium en glas gebaseerd platform dat is ontworpen om het productielandschap van LNP’s voor RNA-therapieën en vaccins te transformeren, een schaalbare en efficiënte oplossing biedt voor de uitdagingen die tijdens de COVID-19-crisis aan het licht zijn gekomen.

“We zijn verheugd om een ​​stukje technologieplatform te creëren dat de kloof overbrugt tussen kleinschalige ontdekking en grootschalige productie op het gebied van RNA-lipidenanodeeltjesvaccins en -therapieën”, zegt co-auteur Michael Mitchell, universitair hoofddocent bio-engineering in de School voor Ingenieurswetenschappen en Toegepaste Wetenschappen in Penn. “Door dit te doen, hebben we effectief de onhandige, tijdrovende en kostbare barrières overwonnen die de opvoering van de productie van veelbelovende nieuwe RNA-medicijnen en vaccins vertragen.”

De complexiteit van op RNA gebaseerde therapieën vereist dat het RNA wordt ingekapseld in een toedieningssysteem dat in staat is de biologische obstakels van het lichaam te omzeilen. LNP’s vervullen deze rol, waardoor het RNA de beoogde cellen kan bereiken voor maximale therapeutische impact. SCALAR wil nog een stap verder gaan en een ongekende schaalbaarheid van drie ordes van grootte in LNP-productiesnelheden mogelijk maken, waarbij de knelpunten op het gebied van snelheid en consistentie worden aangepakt die bestaande methoden belemmeren.

Sarah Shepherd, de eerste auteur van het artikel en een recente Ph.D. afgestudeerde die in het Mitchell Lab heeft gewerkt, zegt: “Met SCALAR reageren we niet alleen op de uitdagingen van vandaag, maar bereiden we ons proactief voor op de kansen en crises van morgen. Deze technologie is flexibel, maakt gebruik van goed gedocumenteerde mengarchitecturen in de microfluïdica, en is schaalbaar genoeg om in realtime aan toekomstige eisen te voldoen. Dat is een enorme sprong voorwaarts voor het vakgebied.”

Shepherd zegt dat SCALAR voortbouwt op eerder werk uit het Mitchell-lab en gebaseerd is op een microfluïdisch chipplatform. Vergelijkbaar met een computerchip, waarbij het elektrisch geïntegreerde circuit van een computer talloze kleine transistors heeft die signalen als enen of nullen transporteren om een ​​uitvoer te produceren, bestuurt de SCALAR-microchip nauwkeurig hun twee belangrijkste reagentia, lipiden en RNA, om LNP’s te genereren.

Bovendien kan hun platform beschikken over één, 10 of 256 individuele mengeenheden om te voldoen aan de gebruiksbehoeften, variërend van kleinschalige screening en ontwikkeling van geneesmiddelen, tot middelgrote formuleringen voor in vivo onderzoeken, tot grootschalige formuleringen voor klinische toepassingen.

Om consistentie op alle schaalniveaus te garanderen, wordt voor alle apparaten dezelfde microfluïdische mengarchitectuur gebruikt. Om ervoor te zorgen dat de twee belangrijkste reagentia gelijkmatig over elk apparaat in de array worden verdeeld, heeft het team microkanalen met hoge vloeistofweerstand in het ontwerp geïntegreerd, in navolging van eerder vastgestelde ontwerpregels voor grootschalige microfluïdische apparaten. Dit garandeert dat elk apparaat in de uit meerdere eenheden bestaande array LNP’s produceert met identieke fysieke kenmerken, een belangrijk kenmerk in de strak gereguleerde farmaceutische industrie.

“We zijn heel blij dat we de cleanroom van het Singh Center hebben kunnen gebruiken om multifunctionele chips te fabriceren die bestand zijn tegen de hoge hitte en agressieve oplosmiddelen die nodig zijn om de chips schoon te maken, waardoor ze veilig herbruikbaar worden”, zegt Shepherd.

De SCALAR-chips zijn gemaakt van silicium en glas, wat verschillende voordelen biedt ten opzichte van bestaande op polymeer gebaseerde platforms. Ze voorkomen niet alleen problemen met het uitlekken van materiaal die verband houden met deze platforms, wat tot besmetting leidt, maar ze maken ook sterilisatie bij extreem hoge temperaturen mogelijk, waardoor ze ideaal zijn voor farmaceutische toepassingen. Bovendien kan het platform worden gereset en hergebruikt, wat voordelen voor het milieu oplevert en de totale productiekosten verlaagt.

Hoewel de onderzoekers aanvankelijk het SCALAR-platform gebruikten om voor SARS-CoV-2-piek coderende mRNA-LNP-vaccins te formuleren, zijn ze van mening dat de toepassingen veel breder zijn.

“Naast het oplossen van een huidige en cruciale behoefte in de farmaceutische industrie, is Sarah’s werk een virtuoze combinatie van microfabricage-, microfluïdische en lipide-nanodeeltjestechnologieën”, zegt co-auteur David Issadore, hoogleraar bio-engineering aan de School of Engineering and Applied Science. bij Penn. “Er zijn maar heel weinig studenten die zoiets ambitieus hadden kunnen verwezenlijken in de tijdlijn van een doctoraat.”

“Deze technologie heeft het potentieel om een ​​hoeksteen te worden op het gebied van nanogeneeskunde, naast op RNA gebaseerde therapieën”, zegt Mitchell. “De schaalbaarheid en het aanpassingsvermogen van de SCALAR-chips zouden ze wel eens tot het Zwitserse zakmes kunnen maken in de farmaceutische productietoolkit voor RNA-lipidenanodeeltjes.”