Les vaccins COVID actuellement déployés ont été développés à une vitesse sans précédent, mais la technologie d'ARNm à l'œuvre dans certains d'entre eux est une réussite tout aussi impressionnante. Parce que toute séquence d'ARNm souhaitée peut être synthétisée en quantités massives, l'un des plus grands obstacles dans une variété de thérapies à base d'ARNm est la capacité de conditionner ces séquences dans les nanoparticules lipidiques qui les délivrent dans les cellules.

Maintenant, grâce à une technologie de fabrication développée par des bio-ingénieurs et des chercheurs médicaux de l'Université de Pennsylvanie, une multiplication par cent des taux de production microfluidique actuels pourrait bientôt être possible.

L'avancée des chercheurs découle de leur conception d'un dispositif microfluidique de preuve de concept contenant 128 canaux de mélange fonctionnant en parallèle. Les canaux mélangent une quantité précise de lipides et d'ARNm, essentiellement la fabrication de nanoparticules lipidiques individuelles sur une chaîne de montage miniaturisée.

Cette vitesse accrue n'est peut-être pas le seul avantage; contrôler plus précisément la taille des nanoparticules pourrait rendre les traitements plus efficaces. Les chercheurs ont testé les nanoparticules lipidiques produites par leur appareil dans une étude sur la souris, montrant qu'ils pouvaient délivrer des séquences d'ARN thérapeutiques avec une activité quatre à cinq fois supérieure à celles produites par les méthodes conventionnelles.

L'étude a été dirigée par Michael Mitchell, Skirkanich Professeur assistant en innovation au département de bio-ingénierie de Penn Engineering, et David Issadore, Professeur agrégé au département de bio-ingénierie de Penn Engineering, avec Sarah Shepherd, un doctorant dans leurs deux laboratoires. Rakan El Mayta, un ingénieur de recherche dans le laboratoire de Mitchell, et Sagar Yadavali, chercheur postdoctoral dans le laboratoire d'Issadore, également contribué à l'étude.

Ils ont collaboré avec plusieurs chercheurs de la Penn's Perelman School of Medicine :le chercheur postdoctoral Mohamad-Gabriel Alameh, Lili Wang, Professeur agrégé de recherche en médecine, James M. Wilson, Rose H. Weiss Orphan Disease Center Professeur du directeur du département de médecine, Claude Warzecha, un chercheur principal dans le laboratoire de Wilson, et Drew Weissman, Professeur de médecine et l'un des premiers développeurs de la technologie derrière les vaccins à ARNm.

Il a été publié dans la revue Lettres nano .

« Nous pensons que cette technologie microfluidique a le potentiel non seulement de jouer un rôle clé dans la formulation des vaccins COVID actuels, " dit Mitchell, « mais aussi pour répondre potentiellement à l'immense besoin qui nous attend alors que la technologie de l'ARNm s'étend à d'autres classes thérapeutiques. »

Les techniques de fabrication existantes pour les vaccins à base d'ARNm utilisent des pompes et des seringues contrôlées par ordinateur pour mélanger soigneusement deux solutions :l'une contenant l'ARNm thérapeutique souhaité et l'autre avec les lipides huileux qui les encapsuleront. Le timing et les ratios corrects sont essentiels pour produire des nanoparticules utilisables, car ces facteurs déterminent en fin de compte la taille et la capacité des nanoparticules à encapsuler l'ARNm.

Avec le temps de l'essence, Les producteurs de vaccins COVID ont opté pour ces techniques éprouvées, plutôt que de risquer des retards dus à des technologies de production non éprouvées auparavant.

"Si nous n'avons pas le bon temps de mélange ou les bons rapports, " dit le berger, « la variabilité de la structure des nanoparticules lipidiques entravera sa capacité à survivre au voyage dans leurs cellules cibles. Bien que nous soyons devenus très bons pour déterminer la composition idéale d'une nanoparticule, nous devons encore développer de nouvelles méthodes de production pour les formuler rapidement et de manière cohérente."

Berger, qui travaille dans les laboratoires de Mitchell et d'Issadore, était dans une position idéale pour diriger une étude qui abordait les deux côtés de ce problème. Le laboratoire de Mitchell utilise la science des matériaux, des outils de chimie et de calcul pour concevoir de nouveaux biomatériaux capables de fournir avec précision des traitements, tels que des nanoparticules lipidiques, tandis que celui d'Issadore combine des éléments de la microélectronique, microfluidique, nanomatériaux et machine learning pour concevoir des puces microfluidiques capables de les fabriquer.

"Notre laboratoire s'intéresse de plus en plus à l'utilisation de micropuces pour générer des formulations médicamenteuses précises pour l'industrie pharmaceutique, " dit Issadore. " Il y a eu énormément de promesses dans cette technologie, mais la traduction réussie vers des applications réelles a été rare. Ceci est principalement dû à la physique fondamentale régissant l'écoulement des fluides confinés dans les canaux micro et nanométriques de ces puces. Cela signifie que leur débit a tendance à être jusqu'à un million de fois plus lent que ce qui est nécessaire pour les applications commerciales et cliniques. »

Travailler avec le laboratoire de Mitchell, ainsi qu'avec d'autres collaborateurs comme le groupe de Daeyeon Lee, les chercheurs ont récemment développé une nouvelle approche microfluidique pour relever ce défi fondamental. Cette technologie de plate-forme, appelé Intégration Microfluidique à Très Grande Échelle (VLSMI), permet à des dizaines de milliers d'unités microfluidiques d'être incorporées dans une seule plaquette de silicium et de verre gravée en trois dimensions.

Ces canaux de mélange parallélisés permettent à VLSMI d'avoir le potentiel d'atteindre les taux de production de litre par heure nécessaires à la fabrication de vaccins. Les résistances de débit garantissent que chaque canal de mélange reçoit les mêmes conditions de débit et le même rapport de lipides et d'ARN à travers l'appareil, produire les nanoparticules uniformes essentielles pour les applications vaccinales et thérapeutiques.

"Notre laboratoire a déjà utilisé une technologie de mélange microfluidique conçue sur mesure pour formuler des nanoparticules lipidiques pour les thérapies à base d'ARNm et les vaccins, " dit Mitchell. " Cependant, une limitation à notre appareil interne était l'échelle des nanoparticules lipidiques que nous pouvions produire. Nous pourrions fabriquer suffisamment de nanoparticules lipidiques pour doser les petits animaux, mais pas les grands animaux et les humains. L'approche VLSMI a été très attractive pour nous dès le début, car nous pourrions essentiellement intégrer notre propre technologie dans cette approche afin que nous puissions exploiter 128 de nos propres mélangeurs en parallèle. »

Une fois que l'équipe a conçu un dispositif VLSMI capable de produire en masse des nanoparticules lipidiques porteuses d'ARN, ils devaient tester leur efficacité. Collaborant avec leurs collègues de Penn Medicine, ils ont mené des études chez la souris en utilisant deux types différents de séquences d'ARN, produites soit par mélange conventionnel, soit par leur méthode VLSMI. La première, conçu pour supprimer la production d'une protéine du foie avec une petite séquence d'ARN interférent (siARN), a montré une augmentation de quatre fois du silençage génique souhaité avec les nanoparticules VLSMI. La deuxième, conçu pour produire une protéine marqueur fluorescente avec une séquence d'ARNm, a montré une augmentation de cinq fois par rapport au mélange conventionnel.

Ces résultats montrent que le VLSMI est une méthode viable pour fabriquer des nanoparticules lipidiques efficaces pour une utilisation dans des vaccins et des thérapies à base d'ARNsi et d'ARNm, mais la technique devra continuer à se développer pour répondre à la demande à venir.

"Les vaccins COVID ne sont que le début de l'utilisation de la technologie de l'ARNm en clinique, " dit Mitchell. " Le développement de ces vaccins ouvrira la voie à une nouvelle vague d'édition de gènes d'ARNm et de thérapies de remplacement de protéines qui révolutionneront la médecine. Cela nécessitera l'intensification de la formulation de l'ARNm dans les nanoparticules lipidiques à des niveaux sans précédent. Nous sommes impatients de développer cette technologie de preuve de concept avec des partenaires industriels pour développer des thérapies et des vaccins à base de nanoparticules lipidiques d'ARNm évolutif. »