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，可以在LNPs的合成過程中精確控制流動參數(shù)，包括流量比、總流量以及脂質(zhì)濃度等，從而實現(xiàn)不同尺寸的粒子合成。這對于實現(xiàn)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(guān)鍵焦點。然而，將LNPs從實驗室研發(fā)成功轉(zhuǎn)化為臨床應用仍然面臨一個嚴峻的挑戰(zhàn)：如何穩(wěn)健地實現(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(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?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，中科大工程學院褚家如教授團隊的李保慶副教授與生命科學與醫(yī)學部田長麟教授團隊深入研究后，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現(xiàn)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(guī)模生產(chǎn)提供了實際可行的途徑。相關(guān)研究成果已發(fā)表在Nano Research上。中國科學技術(shù)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(shù)下也能實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)混合時間和粒徑之間存在良好的線性關(guān)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(xiàn)具有相同粒徑分布的LNPs的合成。

基于這一構(gòu)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(xiàn)不同通量條件下的LNP篩選和規(guī)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(xiàn)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(jié)出了不同管道尺寸混合器實現(xiàn)相同混合時間的流量關(guān)系。經(jīng)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(xiàn)可擴展化合成"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)階段邁向臨床應用，推動核酸藥物研發(fā)進入嶄新的領(lǐng)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(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(shù)下的流型相似性。

圖3 通道尺寸為100、250和500μm的混合器的前兩個混合元件的流態(tài)俯視圖。流動狀態(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(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