La plate-forme de détection moléculaire offre de nouvelles perspectives sur la fabrication de médicaments géniques

Mécanismes de détermination de la capacité de charge utile et de distribution des LNP d'ARNm par le contenu en PEG. a, b Les processus d'assemblage hypothétiques et les caractéristiques de la formulation de LNP avec une concentration élevée de PEG mol% (a); ou une faible concentration de PEG mol% (b) et une dérive de composition pendant la dialyse de pH 4,0 (à gauche) à pH 7,4 (à droite). Les fractions populationnelles marquées sont des données réelles de la formulation avec PEG mol% = 1,5% (a) ou 0,5% (b). a Chaque étiquette numérique représente un comportement populationnel pendant la dialyse :1, fractionnement des LNP vides ; 2, stabilisation des PNL vides ; 3, clivage de complexes lipophiles avec une charge utile d'ARNm initialement élevée ; 4, restant une même charge utile d'ARNm pour les complexes lipophiles avec une charge utile initialement faible ou intermédiaire ; 5, fusion de LNP vides avec des complexes d'ARNm ; 6, fusion de complexes non lipophiles. La croix représente la découverte que la charge utile d'ARNm des complexes lipophiles n'augmente pas pendant la dialyse en raison du manque de fusion dans cette condition. b Les étiquettes sont :1, fusion entre complexes lipophiles; 2, fusion de LNP vides avec des complexes d'ARNm ; 3, fusion de complexes non lipophiles ; 4, fractionnement des LNP vides. Crédit :Nature Communications (2022). DOI :10.1038/s41467-022-33157-4

Un composant important des vaccins protégeant les personnes contre le virus SARS-CoV-2 et ses variantes sont les nanoparticules lipidiques, ou LNP. Ces particules circulaires transportent des charges utiles d'ARNm thérapeutiques, les extraits de matériel génétique qui déclenchent la défense de notre système immunitaire contre le COVID-19.

Même avec leur succès, certaines caractéristiques des particules, telles que la distribution de la charge utile, sont inconnues. Les chercheurs et la Food and Drug Administration souhaitent en savoir plus sur ces caractéristiques afin d'améliorer les rapports sur les métriques dans la fabrication pharmaceutique.

Une nouvelle plateforme de détection moléculaire développée par deux professeurs de la Whiting School of Engineering répond à l'appel de la FDA. Hai-Quan Mao et Tza-Huei (Jeff) Wang veulent savoir combien de molécules d'ARNm un LNP peut transporter et si l'ARNm est uniformément emballé à l'intérieur de la particule pour aider les chercheurs à concevoir des traitements et des vaccins plus efficaces.

"Notre plate-forme traite les molécules au niveau des nanoparticules uniques, mais contrairement aux méthodes d'imagerie actuelles pour les LNP d'ARNm, notre approche est basée sur la spectroscopie fluorescente et nous donne la capacité de voir à travers les particules", a déclaré Wang, professeur aux départements de Mécanique. Ingénierie et génie biomédical à la Whiting School, et chercheur principal à l'Institute for NanoBioTechnology.

La capacité de scruter l'intérieur des nanoparticules permet aux chercheurs de différencier et de mesurer les LNP vides qui ne contiennent pas d'ARNm, les LNP avec ARNm et les ARNm flottants dans un échantillon.

Leur plate-forme, appelée spectroscopie confocale à illumination cylindrique, ou CISC, fonctionne en marquant les composants d'ARNm et de LNP avec des signaux fluorescents allant jusqu'à trois couleurs et en faisant passer l'échantillon à travers un plan de détection. Le plan de détection lit les signaux fluorescents et mesure leur intensité avant de comparer la force des intensités avec celle d'une seule molécule d'ARNm.

L'analyse des données avec un algorithme appelé déconvolution indique à l'équipe à la fois combien de copies d'ARNm se trouvent à l'intérieur du LNP - le cas échéant - et leur distribution dans l'échantillon. La plate-forme de l'équipe surmonte les limitations de contraste et augmente le débit d'analyse d'échantillons, qui sont observés dans la microscopie électronique à cryotransmission, l'étalon-or actuel pour l'imagerie des LNP d'ARNm.

Les tests effectués à l'aide de cette plate-forme de détection ont révélé qu'à partir d'une solution de référence de LNP d'ARNm utilisée dans des études de recherche universitaires, plus de 50 % des LNP ne sont pas chargés de molécules d'ARNm, et des LNP remplis d'ARNm, la plupart contenaient deux à trois ARNm molécules par particule.

"Être capable de résoudre quantitativement les caractéristiques de charge utile des LNP d'ARNm au niveau d'une seule particule n'a jamais été fait auparavant. Nous sommes intrigués par la présence substantielle de LNP vides, et en modifiant les conditions de formulation, une seule nanoparticule peut charger aussi peu qu'un à jusqu'à dix molécules d'ARNm », a déclaré Mao, professeur aux départements de science et génie des matériaux et de génie biomédical à la Whiting School et directeur de l'Institut de nanobiotechnologie.

Les résultats de l'équipe sont publiés dans Nature Communications .

"Il y a beaucoup de groupes qui font des recherches sur la LNP", a déclaré Wang. "Cependant, lorsqu'ils découvrent une formule qui pourrait bien fonctionner, il a été difficile d'associer ces découvertes à la composition et à la distribution de la charge utile des nanoparticules. Grâce à cette plate-forme, nous pouvons fournir une compréhension plus complète de ce qui se passe au niveau de la particule unique. niveau."

Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour savoir combien de molécules d'ARNm par capsule de LNP sont optimales pour le traitement le plus efficace. Cependant, les LNP vides révélés par la nouvelle plate-forme montrent qu'il est nécessaire d'améliorer les méthodes d'emballage de l'ARNm à l'intérieur des LNP.

Mao et Wang affirment que leur plate-forme montre qu'elle a le potentiel non seulement d'être utilisée à toutes les étapes de la recherche et du développement liés à la LNP, mais également dans le développement d'autres systèmes d'administration de médicaments et de mesures de contrôle de la qualité au stade de la fabrication. L'équipe a déposé une demande de brevet couvrant la technique et travaille avec des collaborateurs pour utiliser la plateforme afin d'analyser d'autres types de cargaisons thérapeutiques dans divers systèmes de nanoparticules pour traiter différentes maladies.

"La FDA a récemment répondu au besoin de mesures de meilleure qualité dans la conception de nanoparticules dans l'industrie pharmaceutique", a déclaré Michael J. Mitchell, un scientifique de premier plan dans le domaine de la recherche LNP et professeur adjoint d'innovation Skirkanich au département de bioingénierie de l'université. de Pennsylvanie.

« Cela deviendra de plus en plus important à mesure que la technologie de l'ARNm LNP s'étendra au-delà des vaccins vers de nouvelles thérapies administrées dans la circulation sanguine, qui ont des exigences très strictes. La nouvelle plateforme de détection développée par l'équipe des Drs Mao et Wang est une avancée potentiellement importante dans la lutte besoins lors de la phase de recherche et de réglementation, et peut potentiellement aider au développement de la technologie de l'ARNm LNP au-delà des vaccins. + Explorer plus loin