利用等比例擴大管道尺寸實現用于核酸藥物遞送的脂質納米顆粒的可擴展化合成

基于脂質納米粒子（LNPs）的核酸藥物遞送系統已經被證明在基因編輯、癌癥治療、傳染病預防、慢性病治療等領域具有巨大潛力。微流控技術作為一種高效的可調合成平臺，可以在LNPs的合成過程中精確控制流動參數，包括流量比、總流量以及脂質濃度等，從而實現不同尺寸的粒子合成。這對于實現不同器官的精準靶向具有重要意義，是當前科學研究的一個關鍵焦點。然而，將LNPs從實驗室研發成功轉化為臨床應用仍然面臨一個嚴峻的挑戰：如何穩健地實現制備規模的放大。

目前，規模化合成LNPs的方法主要分為并行化合成策略和通道尺寸擴大策略兩種。雖然并行化合成策略原理簡單，但需要建立復雜的系統以確保流量分配的穩定性，因此尚未在LNPs的工業制造中廣泛應用。通道尺寸擴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，盡管后者能夠實現穩定的大規模生產，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新性的方法，既能保證可擴展的合成，又能維持LNPs的一致性和穩定性。

為此，中科大工程學院褚家如教授團隊的李保慶副教授與生命科學與醫學部田長麟教授團隊深入研究后，提出了一種創新的脂質納米粒子合成策略，即“等比例縮放通道尺寸實現LNPs的可擴展合成"。這一策略通過在三個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間保持一致來確保一致粒徑分布的LNPs的合成。這一策略為LNPs的大規模生產提供了實際可行的途徑。相關研究成果已發表在Nano Research上。中國科學技術大學在讀博士生馬澤森和童海洋為共同第一作者。

合作團隊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，包括迪恩渦、分離渦以及分離重組效應，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下也能實現充分混合。利用這一混合器，合作團隊研究了兩種LNPs配方在不同混合時間下的粒徑分布，發現混合時間和粒徑之間存在良好的線性關系。因此，合作團隊推測，通過在不同混合器中控制混合時間的一致性，可以實現具有相同粒徑分布的LNPs的合成。

基于這一構想，合作團隊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。這些芯片用于實現不同通量條件下的LNP篩選和規模化制備的一致性。對于管道尺寸小于100μm的芯片，選擇了摩方精密nanoArch S130設備進行打印和加工，以確保尺寸得到精確控制，從而實現了小于1mL/min流量下均勻的LNPs的合成。此外，合作團隊還基于流體力學的相似性理論進行了研究，通過量綱分析和實驗標定，總結出了不同管道尺寸混合器實現相同混合時間的流量關系。經過實驗驗證，在相同的混合時間下合成的LNPs具有一致的粒徑、分散性以及包封率。此外，合作團隊還驗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，合作團隊提出的“等比例縮放通道尺寸實現可擴展化合成"的策略為核酸藥物的大規模生產提供了一種簡單、可靠且穩定的途徑。這一方法有望極大地加速LNPs藥物從早期開發階段邁向臨床應用，推動核酸藥物研發進入嶄新的領域，為人類健康做出重要貢獻。

利用摩方精密nanoArch S130設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 慣性流混合器的結構以及原理示意圖。(a)混合器的結構示意圖。(b)利用混合器合成脂質納米粒子的原理示意圖。(c)混合器混合機理示意圖。三種慣性流效應共同促進了混合，包括迪恩渦、分離渦以及分離重組效應。

圖2 利用計算流體力學仿真不同管道尺寸混合器的流型相似性。(a)前兩個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的混合器的前兩個混合元件的流態俯視圖。流動狀態包括層流（Re=25和132）、瞬態流（Re=264）和湍流（Re=396）。圖像經過數字處理以增強對比度。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。流動方向是從左到右。其中100μm的芯片是通過摩方精密nanoArch S130設備打印進行加工。

圖4 在相同混合時間下，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展化合成LNPs。(b-c)在相同的混合時間下測量了兩種LNPs配方的粒徑分布。

圖5 一步對相同粒徑LNPs核酸藥物遞送的性能評估。合成了包封因子VII siRNA后進行靜脈注射，兩天后測定因子VII活性。結果表明不同組別之間呈現一致的體內沉默效率。

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