基于脂質(zhì)納米粒子（LNPs）的核酸藥物遞送系統(tǒng)已經(jīng)被證明在基因編輯、癌癥治療、傳染病預(yù)防、慢性病治療等領(lǐng)域具有巨大潛力。微流控技術(shù)作為一種高效的可調(diào)合成平臺(tái)，可以在LNPs的合成過程中精確控制流動(dòng)參數(shù)，包括流量比、總流量以及脂質(zhì)濃度等，從而實(shí)現(xiàn)不同尺寸的粒子合成。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)不同器官的精準(zhǔn)靶向具有重要意義，是當(dāng)前科學(xué)研究的一個(gè)關(guān)鍵焦點(diǎn)。然而，將LNPs從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)成功轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用仍然面臨一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：如何穩(wěn)健地實(shí)現(xiàn)制備規(guī)模的放大。

目前，規(guī)模化合成LNPs的方法主要分為并行化合成策略和通道尺寸擴(kuò)大策略兩種。雖然并行化合成策略原理簡(jiǎn)單，但需要建立復(fù)雜的系統(tǒng)以確保流量分配的穩(wěn)定性，因此尚未在LNPs的工業(yè)制造中廣泛應(yīng)用。通道尺寸擴(kuò)大策略則采用更大尺寸的單一芯片，提高了最大容許流量，并通過高流速下的湍流混合來確保極限尺寸納米粒子的合成，例如受限撞擊射流混合器和T型混合器。然而，盡管后者能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的大規(guī)模生產(chǎn)，但在不同流速下難以維持一致的粒徑和尺寸分布。因此，我們迫切需要一種創(chuàng)新性的方法，既能保證可擴(kuò)展的合成，又能維持LNPs的一致性和穩(wěn)定性。

為此，中科大工程學(xué)院褚家如教授團(tuán)隊(duì)的李保慶副教授與生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部田長(zhǎng)麟教授團(tuán)隊(duì)深入研究后，提出了一種創(chuàng)新的脂質(zhì)納米粒子合成策略，即“等比例縮放通道尺寸實(shí)現(xiàn)LNPs的可擴(kuò)展合成"。這一策略通過在三個(gè)維度上等比例縮放慣性微流體混合器，并且通過控制混合時(shí)間保持一致來確保一致粒徑分布的LNPs的合成。這一策略為L(zhǎng)NPs的大規(guī)模生產(chǎn)提供了實(shí)際可行的途徑。相關(guān)研究成果已發(fā)表在Nano Research上。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在讀博士生馬澤森和童海洋為共同第一作者。

合作團(tuán)隊(duì)首先研制了一種高效的慣性流混合器，該混合器充分利用了流體的慣性效應(yīng)，包括迪恩渦、分離渦以及分離重組效應(yīng)，以顯著提高混合效率。與其他慣性流混合器相比，這種混合器在更低的雷諾數(shù)下也能實(shí)現(xiàn)充分混合。利用這一混合器，合作團(tuán)隊(duì)研究了兩種LNPs配方在不同混合時(shí)間下的粒徑分布，發(fā)現(xiàn)混合時(shí)間和粒徑之間存在良好的線性關(guān)系。因此，合作團(tuán)隊(duì)推測(cè)，通過在不同混合器中控制混合時(shí)間的一致性，可以實(shí)現(xiàn)具有相同粒徑分布的LNPs的合成。

基于這一構(gòu)想，合作團(tuán)隊(duì)等比例縮放了該慣性流體微混合器，并使用高精度3D打印和激光加工制備了具有不同通道尺寸的芯片。這些芯片用于實(shí)現(xiàn)不同通量條件下的LNP篩選和規(guī)模化制備的一致性。對(duì)于管道尺寸小于100μm的芯片，選擇了摩方精密nanoArch S130設(shè)備進(jìn)行打印和加工，以確保尺寸得到精確控制，從而實(shí)現(xiàn)了小于1mL/min流量下均勻的LNPs的合成。此外，合作團(tuán)隊(duì)還基于流體力學(xué)的相似性理論進(jìn)行了研究，通過量綱分析和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，總結(jié)出了不同管道尺寸混合器實(shí)現(xiàn)相同混合時(shí)間的流量關(guān)系。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在相同的混合時(shí)間下合成的LNPs具有一致的粒徑、分散性以及包封率。此外，合作團(tuán)隊(duì)還驗(yàn)證了具有相同粒徑的LNPs在核酸遞送方面的能力，成功合成了包封siRNA的LNPs，并證明了它們具有相同的基因沉默效力。

總體而言，合作團(tuán)隊(duì)提出的“等比例縮放通道尺寸實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展化合成"的策略為核酸藥物的大規(guī)模生產(chǎn)提供了一種簡(jiǎn)單、可靠且穩(wěn)定的途徑。這一方法有望極大地加速LNPs藥物從早期開發(fā)階段邁向臨床應(yīng)用，推動(dòng)核酸藥物研發(fā)進(jìn)入嶄新的領(lǐng)域，為人類健康做出重要貢獻(xiàn)。

利用摩方精密nanoArch S130設(shè)備打印加工的管道尺寸分別為50μm和100μm的微流控芯片模具。其中XY方向上的精度為2μm，Z方向上的精度為5μm，樣件尺寸為30mm×40mm。

圖1 慣性流混合器的結(jié)構(gòu)以及原理示意圖。(a)混合器的結(jié)構(gòu)示意圖。(b)利用混合器合成脂質(zhì)納米粒子的原理示意圖。(c)混合器混合機(jī)理示意圖。三種慣性流效應(yīng)共同促進(jìn)了混合，包括迪恩渦、分離渦以及分離重組效應(yīng)。

圖2 利用計(jì)算流體力學(xué)仿真不同管道尺寸混合器的流型相似性。(a)前兩個(gè)混合單元混合流型的頂部視圖。(b)三種管道尺寸混合器在不同雷諾數(shù)下的流型相似性。

圖3 通道尺寸為100、250和500μm的混合器的前兩個(gè)混合元件的流態(tài)俯視圖。流動(dòng)狀態(tài)包括層流（Re=25和132）、瞬態(tài)流（Re=264）和湍流（Re=396）。圖像經(jīng)過數(shù)字處理以增強(qiáng)對(duì)比度。將溶解有黑色染料（0.025g/mL）作為示蹤劑的去離子水和乙醇以3:1的FRR泵入混合器中。流動(dòng)方向是從左到右。其中100μm的芯片是通過摩方精密nanoArch S130設(shè)備打印進(jìn)行加工。

圖4 在相同混合時(shí)間下，不同通道尺寸的混合器合成具有一致粒徑和尺寸分布的LNPs。(a)等比例縮放微混合器用于可擴(kuò)展化合成LNPs。(b-c)在相同的混合時(shí)間下測(cè)量了兩種LNPs配方的粒徑分布。

圖5 一步對(duì)相同粒徑LNPs核酸藥物遞送的性能評(píng)估。合成了包封因子VII siRNA后進(jìn)行靜脈注射，兩天后測(cè)定因子VII活性。結(jié)果表明不同組別之間呈現(xiàn)一致的體內(nèi)沉默效率。

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https://doi.org/10.1007/s12274-023-6031-1