Los métodos de producción de nanopartículas lipídicas (LNP) basados en microfluídicas han atraído la atención en los sistemas de administración de fármacos (DDS), incluida la administración de ARN. Este protocolo describe la fabricación, la producción de LNP (LNP cargado de siRNA) y los procesos de evaluación de LNP utilizando nuestro dispositivo microfluídico original llamado iLiNP.
El desarrollo de nanopartículas lipídicas funcionales (LNPs) es uno de los principales desafíos en el campo de los sistemas de administración de fármacos (DDS). Recientemente, los sistemas de administración de ARN basados en LNP, es decir, los LNP cargados de ARN han atraído la atención para la terapia de ARN. En particular, se aprobaron vacunas LNP cargadas de ARNm para prevenir la COVID-19, lo que llevó al cambio de paradigma hacia el desarrollo de nanomedicamentos de próxima generación. Para las nanomedicamentos basadas en LNP, el tamaño de LNP es un factor significativo en el control de la biodistribución de LNP y el rendimiento de LNP. Por lo tanto, una técnica precisa de control de tamaño LNP es indispensable para el proceso de producción LNP. Aquí, informamos un protocolo para la producción de LNP de tamaño controlado utilizando un dispositivo microfluídico, llamado iLiNP. Los LNP cargados con siRNA también se producen utilizando el dispositivo iLiNP y se evalúan mediante un experimento in vitro . Se muestran resultados representativos para el tamaño de LNP, incluidos los LNP cargados de siRNA, el potencial Z, la eficiencia de encapsulación de siRNA, la citotoxicidad y la actividad de silenciamiento de genes objetivo.
La nanopartícula lipídica (LNP) es uno de los nanoportadores más utilizados para los sistemas de administración de ARN. Recientemente, los LNP cargados de ARNm han sido aprobados como vacunas para la prevención de COVID-191,2,3. En general, el tamaño de la LNP juega un papel crucial en el rendimiento de los sistemas de biodistribución y administración de fármacos (DDS), incluido el silenciamiento génico o la expresión de proteínas4,5,6. Por lo tanto, se requiere un método preciso de control de tamaño LNP para el proceso de producción LNP.
Para la producción de LNPs de tamaño controlado, los dispositivos microfluídicos han atraído la atención a lo largo de los años7. En 2018, los primeros LNPs cargados de siRNA aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) (por ejemplo, Onpattro) se desarrollaron utilizando el dispositivo microfluídico8,9. En el método de producción de LNP basado en microfluídica, una solución lipídica y una solución acuosa se introducen por separado en el dispositivo microfluídico y luego se mezclan en el microcanal. Para mejorar la eficiencia de la mezcla, el dispositivo mezclador caótico se ha utilizado para la producción de LNP10,11,12. El dispositivo mezclador caótico permite producir LNP de tamaño específico.
Se ha desarrollado un dispositivo microfluídico simple, llamado producción invasiva de nanopartículas lipídicas (iLiNP), equipado con estructuras deflectoras, para controlar el tamaño de LNP con precisión13,14. En comparación con el dispositivo mezclador caótico, el dispositivo iLiNP pudo controlar el tamaño LNP que oscilaba entre 20 y 100 nm a intervalos de 10 nm. Además, el dispositivo iLiNP produjo LNPs6 cargados con siRNA, LNPs15 cargados con ARNm, LNPs cargados con ribonucleoproteínas16 y LNPs similares a exosomas17. El objetivo de este artículo es presentar el proceso de fabricación y producción de LNP cargado con iRNA del dispositivo iLiNP y describir el proceso de evaluación de LNP producido por el dispositivo iLiNP.
El tamaño de la LNP afecta la biodistribución de la LNP, el efecto antitumoral y el rendimiento de silenciamiento génico. Por lo tanto, el método de control de tamaño LNP es una técnica importante para producir nanomedicamentos DDS, incluidos los sistemas de administración de ARN. El objetivo de este artículo es presentar el dispositivo iLiNP para el ajuste preciso del tamaño de los LNP y su aplicación a la producción de LNP cargados con siRNA. El dispositivo iLiNP fue capaz de controlar el tamaño LNP oscilado entre 20 y 100 nm (Figura 2)13. Cuando las condiciones de flujo, como el caudal total y el FRR se cambian para controlar el tamaño de LNP, la suspensión de LNP debe recogerse después de aproximadamente 5 a 10 s para estabilizar el flujo de solución. La suspensión de LNP recogida de la salida del dispositivo iLiNP se dializó inmediatamente contra la solución tampón para eliminar el etanol y evitar la agregación de LNP.
El control de tamaño LNP es uno de los principales desafíos en el campo de DDS. En general, el proceso de producción convencional de LNP, como el método de hidratación de la película lipídica, necesita un proceso de ajuste de tamaño después de la producción de LNP20. Por otro lado, el método de producción de LNPs basado en microfluídica puede producir los LNPs de tamaño controlado mediante la introducción de las soluciones lipídicas y acuosas en el dispositivo microfluídico6,11,13. Aunque se requiere el proceso de diálisis para eliminar el etanol de la suspensión de LNP, un proceso continuo por el dispositivo microfluídico junto con el sistema de flujo tangencial promete la automatización del proceso de producción de LNP14. Según la literatura, los tamaños POPC LNP fueron de 50-60 nm y 30-60 nm, para el dispositivo microfluídico de enfoque de flujo21 y el dispositivo mezclador caótico, respectivamente10. En comparación con otros dispositivos microfluídicos, el dispositivo iLiNP permite el control de tamaño POPC LNP en un amplio rango de 20 a 100 nm.
El proceso de fabricación del dispositivo iLiNP empleado fue la litografía blanda estándar. Por lo tanto, el dispositivo iLiNP puede ser producido en masa mediante la técnica de prototipado rápido y evitar la contaminación cruzada de las soluciones mediante el uso de un dispositivo desechable. El dispositivo iLiNP puede producir LNP cargados de siRNA de la misma manera que el método de producción popc LNP. Para el método de producción LNP que utiliza el dispositivo iLiNP, el usuario no requiere ningún procedimiento complicado. Por estas razones, se espera que el método de producción de LNP basado en microfluídica, incluido el dispositivo iLiNP, se emplee como el método de producción LNP estándar. El protocolo de este trabajo se puede adaptar a otros dispositivos microfluídicos para la producción de LNP. Además, la producción de LNPs cargados de ARNm también se habilita cambiando la solución de siRNA/tampón a una solución tampón que contiene ARNm.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por JST, CREST Grant Number JPMJCR17H1, Japan, JST, PRESTO Grant Number JPMJPR19K8, Japan, JST, SCORE, Japan, the Special Education and Research Expenses from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, JSPS KAKENHI Grant Number JP19KK0140, y Iketani Science and Technology Foundation.
1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) | NOF Corp. | MC-6081 | |
1,2-dimyristoyl-rac-glycero-3-methoxypolyethylene glycol-2000 (DMG-PEG2K) | NOF Corp. | GM-020 | |
1,2-dioleoyloxy-3-trimethylammonium propane (DOTAP) | NOF Corp. | CL-8181TA | |
1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholinev (DSPC) | NOF Corp. | MC-8080 | |
10 x D-PBS (-) | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 048-29805 | |
Acetic acid | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 017-00251 | |
CellTiter-Blue Cell Viability Assay | Promega | G8081 | |
cholesterol | Sigma-Aldrich | C8667-5G | |
Desktop maskless lithography system | NEOARK CORPORATION | DDB-701-DL4 | |
Dialysis membrane | Repligen | 132697 | |
Dual-Glo Luciferase Assay System | Promega | E2940 | |
Fetal bovine serum (FBS) | Thermo Fisher Scientific | Lot: 42G6587K | |
G418 | Nacalai Tesque | 08973-14 | |
Glass substrate | Matsunami Glass Ind., Ltd. | S1111 | |
Glass syringe | Hamilton | GASSTIGHT 1002 | |
HeLa cell | HeLa-dluc cells were provided from Dr. Yusuke Sato at Hokkaido University | ||
HEPES | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 342-01375 | |
Low-glucose Dulbecco’s modified Eagle medium (DMEM) | Sigma-Aldrich | D6046-500ML | |
Oxygen plasma cleaner | Femto Science | CUTE-1MP/R | |
Penicillin–streptomycin, trypsin (2.5%) | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
Quant-iT RiboGreen RNA Reagent | Thermo Fisher Scientific | R11491 | |
siGL4 | Hokkaido System Science Co., Ltd | The sense and antisense strand sequences of siGL4 are 5'-CCGUCGUAUUCGUGAGCAATsT -3' and 5'-UUGCUCACGAAUACGACGGTsT -3', respectively. |
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Silicon wafer | GTC | ||
SILPOT 184 W/C (PDMS) | Dow Corning Toray Co., Ltd. | silicone base and curing agent are included | |
Sodium acetate | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 192-01075 | |
Sodium chloride | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 191-01665 | |
SU-8 3050 | Nippon Kyaku Co., Ltd. | ||
Syringe connector | Institute of microchemical Technology Co., Ltd. | ISC-011 | |
Syringe pump | Chemyx | CX07200 | |
trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane | Sigma-Aldrich | 448931-10G | |
TritonX-100 | Nacalai Tesque | 35501-15 | |
UltraPure DNase/RNase-Free Distilled Water | Thermo Fisher Scientific | 10977015 | |
Zetasizer Nano ZS | Malvern Instruments | ZEN3600 |