p As vacinas COVID atualmente em implantação foram desenvolvidas com velocidade sem precedentes, mas a tecnologia de mRNA em funcionamento em alguns deles é uma história de sucesso igualmente impressionante. Como qualquer sequência de mRNA desejada pode ser sintetizada em grandes quantidades, um dos maiores obstáculos em uma variedade de terapias de mRNA é a capacidade de empacotar essas sequências nas nanopartículas de lipídios que as entregam às células. p Agora, graças à tecnologia de fabricação desenvolvida por bioengenheiros e pesquisadores médicos da Universidade da Pensilvânia, um aumento de cem vezes nas taxas atuais de produção de microfluidos pode ser possível em breve.

p O avanço dos pesquisadores decorre do projeto de um dispositivo microfluídico à prova de conceito contendo 128 canais de mixagem trabalhando em paralelo. Os canais misturam uma quantidade precisa de lipídios e mRNA, essencialmente a criação de nanopartículas lipídicas individuais em uma linha de montagem miniaturizada.

p Esse aumento de velocidade pode não ser o único benefício; o controle mais preciso do tamanho das nanopartículas pode tornar os tratamentos mais eficazes. Os pesquisadores testaram as nanopartículas lipídicas produzidas por seu dispositivo em um estudo com camundongos, mostrando que eles poderiam entregar sequências terapêuticas de RNA com atividade quatro a cinco vezes maior do que aquelas feitas por métodos convencionais.

p O estudo foi liderado por Michael Mitchell, Skirkanich Professor Assistente de Inovação no Departamento de Bioengenharia da Penn Engineering, e David Issadore, Professor Associado do Departamento de Bioengenharia da Penn Engineering, junto com Sarah Shepherd, estudante de doutorado em ambos os laboratórios. Rakan El-Mayta, um engenheiro de pesquisa no laboratório de Mitchell, e Sagar Yadavali, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Issadore, também contribuíram para o estudo.

p Eles colaboraram com vários pesquisadores da Escola de Medicina Perelman da Penn:o pesquisador de pós-doutorado Mohamad-Gabriel Alameh, Lili Wang, Professor Associado de Pesquisa de Medicina, James M. Wilson, Rose H. Weiss Orphan Disease Center Diretora do Departamento de Medicina, Professora do Departamento de Medicina, Claude Warzecha, um investigador de pesquisa sênior no laboratório de Wilson, e Drew Weissman, Professor de medicina e um dos desenvolvedores originais da tecnologia por trás das vacinas de mRNA.

p Foi publicado na revista Nano Letras .

p "Acreditamos que esta tecnologia microfluídica tem o potencial de não apenas desempenhar um papel fundamental na formulação das vacinas COVID atuais, "diz Mitchell, "mas também para potencialmente atender à imensa necessidade à nossa frente, à medida que a tecnologia de mRNA se expande em classes adicionais de terapêuticas."

p As técnicas de fabricação existentes para vacinas baseadas em mRNA usam bombas e seringas controladas por computador para misturar cuidadosamente duas soluções:uma contendo o mRNA terapêutico desejado e outra com os lipídios oleosos que irão encapsulá-los. O tempo e as proporções corretos são fundamentais para a produção de nanopartículas utilizáveis, já que esses fatores determinam em última instância o tamanho das nanopartículas e a capacidade de encapsular o mRNA.

p Com o tempo essencial, Os produtores da vacina COVID optaram por essas técnicas testadas e comprovadas, em vez de correr o risco de atrasos com tecnologias de produção não comprovadas anteriormente.

p "Se não tivermos o tempo ou as proporções corretas de mistura, "diz o pastor, "a variabilidade na estrutura das nanopartículas lipídicas prejudicará sua capacidade de sobreviver à jornada até as células-alvo. Embora tenhamos nos tornado muito bons em determinar a composição ideal para uma nanopartícula, ainda precisamos desenvolver novos métodos de produção para formulá-los de forma rápida e consistente. "

p Pastor, que trabalha nos laboratórios de Mitchell e Issadore, estava em uma posição perfeita para liderar um estudo que abordou os dois lados desse problema. O laboratório de Mitchell utiliza ciência de materiais, Química e ferramentas computacionais para projetar novos biomateriais que podem fornecer produtos terapêuticos com precisão, como nanopartículas de lipídios, enquanto o de Issadore combina elementos de microeletrônica, microfluídica, nanomateriais e aprendizado de máquina para projetar chips microfluídicos capazes de fabricá-los.

p "Nosso laboratório está cada vez mais interessado em usar microchips para gerar formulações precisas de medicamentos para a indústria farmacêutica, "Issadore diz." Tem havido uma enorme promessa nesta tecnologia, mas a tradução bem-sucedida para aplicativos do mundo real tem sido rara. Isso se deve principalmente à física fundamental que rege o fluxo de fluidos confinados nos canais de micro e nanoescala desses chips. Isso significa que seu rendimento tende a ser até um milhão de vezes mais lento do que o necessário para aplicações comerciais e clínicas. "

p Trabalhando com o laboratório de Mitchell, bem como com outros colaboradores, como o grupo de Daeyeon Lee, os pesquisadores desenvolveram recentemente uma nova abordagem de microfluídica para lidar com esse desafio fundamental. Esta tecnologia de plataforma, chamada de Integração Microfluídica em Escala Muito Grande (VLSMI), permite que dezenas de milhares de unidades microfluídicas sejam incorporadas em um único wafer de silício e vidro gravado tridimensionalmente.

p Esses canais de mistura paralelizados permitem que a VLSMI tenha o potencial de atingir as taxas de produção de litro por hora necessárias para a fabricação da vacina. Os resistores de fluxo garantem que cada canal de mistura receba as mesmas condições de fluxo e proporção de lipídios e RNAs em todo o dispositivo, produzir as nanopartículas uniformes críticas para vacinas e aplicações terapêuticas.

p "Nosso laboratório já utilizou uma tecnologia de mistura microfluídica projetada sob medida para formular nanopartículas de lipídios para terapêuticas e vacinas de mRNA, "Mitchell diz." No entanto, uma limitação do nosso dispositivo interno era a escala das nanopartículas de lipídios que poderíamos produzir. Poderíamos fazer nanopartículas de lipídios suficientes para dosar pequenos animais, mas não animais e humanos maiores. A abordagem VLSMI foi muito atraente para nós desde o início, já que poderíamos essencialmente integrar nossa própria tecnologia a essa abordagem para que pudéssemos operar 128 de nossos próprios mixers em paralelo. "

p Depois que a equipe projetou um dispositivo VLSMI capaz de produzir em massa nanopartículas lipídicas transportadoras de RNA, eles precisavam testar o quão eficazes eram. Colaborando com seus colegas da Penn Medicine, eles conduziram estudos em camundongos usando dois tipos diferentes de sequências de RNA, produzido por mistura convencional ou seu método VLSMI. O primeiro, projetado para suprimir a produção de uma proteína do fígado com uma pequena sequência de RNA interferente (siRNA), mostrou um aumento de quatro vezes no silenciamento do gene desejado com as nanopartículas VLSMI. O segundo, projetado para produzir uma proteína marcadora fluorescente com uma sequência de mRNA, mostrou um aumento de cinco vezes em comparação com a mistura convencional.

p Estes resultados mostram que VLSMI é um método viável para fazer nanopartículas de lipídios eficazes para uso em vacinas e terapias baseadas em siRNA e mRNA, mas a técnica precisará continuar a crescer para atender à demanda futura.

p "As vacinas COVID são apenas o começo do uso da tecnologia de mRNA na clínica, "Mitchell diz." O desenvolvimento dessas vacinas abrirá o caminho para uma nova onda de edição de genes de mRNA e terapias de substituição de proteínas que irão revolucionar a medicina. Isso exigirá a ampliação da formulação de mRNA em nanopartículas de lipídios a níveis sem precedentes. Estamos ansiosos para expandir esta tecnologia de prova de conceito com parceiros da indústria para desenvolver vacinas e terapias de nanopartículas lipídicas de mRNA escaláveis. "