I vaccini COVID attualmente in uso sono stati sviluppati con una velocità senza precedenti, ma la tecnologia dell'mRNA all'opera in alcuni di essi è una storia di successo altrettanto impressionante. Poiché qualsiasi sequenza di mRNA desiderata può essere sintetizzata in quantità massicce, uno dei maggiori ostacoli in una varietà di terapie mRNA è la capacità di impacchettare quelle sequenze nelle nanoparticelle lipidiche che le trasportano nelle cellule.

Ora, grazie alla tecnologia di produzione sviluppata da bioingegneri e ricercatori medici dell'Università della Pennsylvania, un aumento di cento volte degli attuali tassi di produzione microfluidica potrebbe presto essere possibile.

Il progresso dei ricercatori deriva dalla loro progettazione di un dispositivo microfluidico proof-of-concept contenente 128 canali di miscelazione che funzionano in parallelo. I canali mescolano una precisa quantità di lipidi e mRNA, essenzialmente la creazione di singole nanoparticelle lipidiche su una catena di montaggio miniaturizzata.

Questa maggiore velocità potrebbe non essere l'unico vantaggio; un controllo più preciso delle dimensioni delle nanoparticelle potrebbe rendere i trattamenti più efficaci. I ricercatori hanno testato le nanoparticelle lipidiche prodotte dal loro dispositivo in uno studio sui topi, mostrando che potrebbero fornire sequenze di RNA terapeutiche con un'attività da quattro a cinque volte maggiore di quelle realizzate con metodi convenzionali.

Lo studio è stato condotto da Michael Mitchell, Skirkanich Assistant Professor of Innovation nel Dipartimento di Bioingegneria della Penn Engineering, e David Issadore, Professore Associato nel Dipartimento di Bioingegneria della Penn Engineering, insieme a Sarah Pastore, uno studente di dottorato in entrambi i loro laboratori. Rakan El Mayta, un ingegnere di ricerca nel laboratorio di Mitchell, e Sagar Yadavali, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Issadore, anche contribuito allo studio.

Hanno collaborato con diversi ricercatori della Perelman School of Medicine di Penn:il ricercatore post-dottorato Mohamad-Gabriel Alameh, Lili Wang, Professore Associato di Ricerca di Medicina, James M. Wilson, Professore del Direttore del Centro Malattie Orfane Rose H. Weiss presso il Dipartimento di Medicina, Claude Warzecha, un ricercatore senior nel laboratorio di Wilson, e Drew Weissman, Professore di Medicina e uno degli sviluppatori originali della tecnologia alla base dei vaccini mRNA.

È stato pubblicato sulla rivista Nano lettere .

"Riteniamo che questa tecnologia microfluidica abbia il potenziale non solo per svolgere un ruolo chiave nella formulazione degli attuali vaccini COVID, "dice Mitchell, "ma anche per affrontare potenzialmente l'immenso bisogno che ci aspetta mentre la tecnologia dell'mRNA si espande in ulteriori classi di terapie".

Le tecniche di produzione esistenti per i vaccini a base di mRNA utilizzano pompe e siringhe controllate da computer per mescolare accuratamente due soluzioni:una contenente l'mRNA terapeutico desiderato e l'altra con i lipidi oleosi che le incapsulano. I tempi e i rapporti corretti sono fondamentali per la produzione di nanoparticelle utilizzabili, poiché questi fattori determinano in ultima analisi le dimensioni e la capacità delle nanoparticelle di incapsulare l'mRNA.

Con il tempo dell'essenza, I produttori di vaccini COVID hanno optato per queste tecniche collaudate, piuttosto che rischiare ritardi a causa di tecnologie di produzione precedentemente non provate.

"Se non abbiamo il tempo o i rapporti di miscelazione corretti, "dice Pastore, "la variabilità nella struttura delle nanoparticelle lipidiche ostacolerà la sua capacità di sopravvivere al viaggio nelle loro cellule bersaglio. Anche se siamo diventati molto bravi a determinare la composizione ideale per una nanoparticella, dobbiamo ancora sviluppare nuovi metodi di produzione per formularli in modo rapido e coerente".

Pastore, che lavora sia nei laboratori di Mitchell che di Issadore, era in una posizione perfetta per guidare uno studio che affrontasse entrambi i lati di questo problema. Il laboratorio di Mitchell utilizza la scienza dei materiali, chimica e strumenti computazionali per progettare nuovi biomateriali in grado di fornire con precisione terapie, come le nanoparticelle lipidiche, mentre quella di Issadore combina elementi di microelettronica, microfluidica, nanomateriali e apprendimento automatico per progettare chip microfluidici in grado di produrli.

"Il nostro laboratorio è sempre più interessato all'utilizzo di microchip per generare formulazioni farmaceutiche precise per l'industria farmaceutica, " dice Issadore. "C'è stata un'enorme quantità di promesse in questa tecnologia, ma la traduzione riuscita in applicazioni del mondo reale è stata rara. Ciò è dovuto principalmente alla fisica fondamentale che regola il flusso dei fluidi confinati all'interno dei canali su micro e nanoscala di questi chip. Significa che il loro rendimento tende ad essere fino a un milione di volte più lento di quanto necessario per le applicazioni commerciali e cliniche".

Lavorando con il laboratorio di Mitchell, così come con altri collaboratori come il gruppo di Daeyeon Lee, i ricercatori hanno recentemente sviluppato un nuovo approccio alla microfluidica per affrontare questa sfida fondamentale. Questa tecnologia della piattaforma, chiamata integrazione microfluidica su larga scala (VLSMI), consente di incorporare decine di migliaia di unità microfluidiche in un singolo wafer di silicio e vetro inciso tridimensionalmente.

Questi canali di miscelazione parallelizzati consentono a VLSMI di avere il potenziale per raggiungere i tassi di produzione di litri all'ora necessari per la produzione di vaccini. I resistori di flusso assicurano che ogni canale di miscelazione riceva le stesse condizioni di flusso e il rapporto tra lipidi e RNA attraverso il dispositivo, produrre le nanoparticelle uniformi critiche per i vaccini e le applicazioni terapeutiche.

"Il nostro laboratorio ha precedentemente utilizzato una tecnologia di miscelazione microfluidica progettata su misura per formulare nanoparticelle lipidiche per terapie e vaccini per mRNA, " dice Mitchell. "Tuttavia, una limitazione al nostro dispositivo interno era la scala delle nanoparticelle lipidiche che potevamo produrre. Potremmo produrre abbastanza nanoparticelle lipidiche per dosare piccoli animali, ma non animali e umani più grandi. L'approccio VLSMI è stato molto interessante per noi fin dall'inizio, poiché potremmo essenzialmente integrare la nostra tecnologia in questo approccio in modo da poter far funzionare 128 dei nostri mixer in parallelo."

Una volta che il team ha progettato un dispositivo VLSMI in grado di produrre in massa nanoparticelle lipidiche che trasportano RNA, avevano bisogno di testare quanto fossero efficaci. Collaborando con i loro colleghi della Penn Medicine, hanno condotto studi sui topi utilizzando due diversi tipi di sequenze di RNA, prodotto mediante miscelazione convenzionale o il loro metodo VLSMI. Il primo, progettato per sopprimere la produzione di una proteina epatica con una piccola sequenza di RNA interferente (siRNA), ha mostrato un aumento di quattro volte nel silenziamento genico desiderato con le nanoparticelle VLSMI. Il secondo, progettato per produrre una proteina marcatore fluorescente con una sequenza di mRNA, ha mostrato un aumento di cinque volte rispetto alla miscelazione convenzionale.

Questi risultati mostrano che VLSMI è un metodo praticabile per rendere le nanoparticelle lipidiche efficaci per l'uso in vaccini e terapie a base di siRNA e mRNA, ma la tecnica dovrà continuare a crescere per soddisfare la domanda in arrivo.

"I vaccini COVID sono solo l'inizio dell'uso della tecnologia mRNA in clinica, " Mitchell dice. "Lo sviluppo di questi vaccini aprirà la strada a una nuova ondata di editing genetico dell'mRNA e terapie sostitutive delle proteine ​​che rivoluzioneranno la medicina. Ciò richiederà lo scale-up della formulazione dell'mRNA nelle nanoparticelle lipidiche a livelli senza precedenti. Non vediamo l'ora di espandere questa tecnologia proof-of-concept con i partner del settore per sviluppare terapie e vaccini scalabili con nanoparticelle lipidiche di mRNA".