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Los métodos de producción de nanopartículas lipídicas (LNP) basados en microfluídicas han atraído la atención en los sistemas de administración de fármacos (DDS), incluida la administración de ARN. Este protocolo describe la fabricación, la producción de LNP (LNP cargado de siRNA) y los procesos de evaluación de LNP utilizando nuestro dispositivo microfluídico original llamado iLiNP.
El desarrollo de nanopartículas lipídicas funcionales (LNPs) es uno de los principales desafíos en el campo de los sistemas de administración de fármacos (DDS). Recientemente, los sistemas de administración de ARN basados en LNP, es decir, los LNP cargados de ARN han atraído la atención para la terapia de ARN. En particular, se aprobaron vacunas LNP cargadas de ARNm para prevenir la COVID-19, lo que llevó al cambio de paradigma hacia el desarrollo de nanomedicamentos de próxima generación. Para las nanomedicamentos basadas en LNP, el tamaño de LNP es un factor significativo en el control de la biodistribución de LNP y el rendimiento de LNP. Por lo tanto, una técnica precisa de control de tamaño LNP es indispensable para el proceso de producción LNP. Aquí, informamos un protocolo para la producción de LNP de tamaño controlado utilizando un dispositivo microfluídico, llamado iLiNP. Los LNP cargados con siRNA también se producen utilizando el dispositivo iLiNP y se evalúan mediante un experimento in vitro . Se muestran resultados representativos para el tamaño de LNP, incluidos los LNP cargados de siRNA, el potencial Z, la eficiencia de encapsulación de siRNA, la citotoxicidad y la actividad de silenciamiento de genes objetivo.
La nanopartícula lipídica (LNP) es uno de los nanoportadores más utilizados para los sistemas de administración de ARN. Recientemente, los LNP cargados de ARNm han sido aprobados como vacunas para la prevención de COVID-191,2,3. En general, el tamaño de la LNP juega un papel crucial en el rendimiento de los sistemas de biodistribución y administración de fármacos (DDS), incluido el silenciamiento génico o la expresión de proteínas4,5,6. Por lo tanto, se requiere un método preciso de control de tamaño LNP para el proceso de producción LNP.
Para la producción de LNPs de tamaño controlado, los dispositivos microfluídicos han atraído la atención a lo largo de los años7. En 2018, los primeros LNPs cargados de siRNA aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) (por ejemplo, Onpattro) se desarrollaron utilizando el dispositivo microfluídico8,9. En el método de producción de LNP basado en microfluídica, una solución lipídica y una solución acuosa se introducen por separado en el dispositivo microfluídico y luego se mezclan en el microcanal. Para mejorar la eficiencia de la mezcla, el dispositivo mezclador caótico se ha utilizado para la producción de LNP10,11,12. El dispositivo mezclador caótico permite producir LNP de tamaño específico.
Se ha desarrollado un dispositivo microfluídico simple, llamado producción invasiva de nanopartículas lipídicas (iLiNP), equipado con estructuras deflectoras, para controlar el tamaño de LNP con precisión13,14. En comparación con el dispositivo mezclador caótico, el dispositivo iLiNP pudo controlar el tamaño LNP que oscilaba entre 20 y 100 nm a intervalos de 10 nm. Además, el dispositivo iLiNP produjo LNPs6 cargados con siRNA, LNPs15 cargados con ARNm, LNPs cargados con ribonucleoproteínas16 y LNPs similares a exosomas17. El objetivo de este artículo es presentar el proceso de fabricación y producción de LNP cargado con iRNA del dispositivo iLiNP y describir el proceso de evaluación de LNP producido por el dispositivo iLiNP.
1. Fabricación del dispositivo iLiNP
NOTA: El dispositivo iLiNP se fabrica utilizando el método estándar de litografía blanda18. El protocolo de fabricación detallado fue reportado previamente10,13.
2. Preparación de soluciones lipídicas
3. Preparación de soluciones acuosas
4. Preparación de la solución tampón de siRNA/tampón
5. Configuración del dispositivo iLiNP y producción de LNP
NOTA: Consulte la Figura 1 para ver los esquemas.
6. Diálisis de la suspensión LNP y medición del tamaño LNP
7. Medición del potencial Z del LNP
NOTA: Para la medición del potencial Z, se utilizó un analizador de partículas (ver Tabla de Materiales) siguiendo las instrucciones del fabricante.
8. eficiencia de encapsulación de siRNA mediante ensayo RiboGreen
NOTA: El ensayo de ribogreen se realiza para evaluar la encapsulación de siRNA en LNPs19. El ensayo de ribogreen puede medir la cantidad de ARN dentro y fuera de los LNPs con/sin surfactante (por ejemplo, TritonX-100).
9. Cultivo celular
10. Ensayo de viabilidad celular
11. Ensayo de derribo del gen de la luciferasa
La Figura 2A,B muestra la distribución de tamaño POPC LNP producida en diferentes condiciones de flujo. El método de preparación de LNP basado en microfluídica puede controlar el tamaño de los LNP por las condiciones de flujo, como el caudal total (TFR) y el FRR. En comparación con los dispositivos microfluídicos típicos, incluido el dispositivo mezclador caótico y el dispositivo microfluídico de enfoque de flujo, el dispositivo iLiNP permitió un control preciso del tamaño de LNP que va de 20 a 100 nm (Figura 2). Los LNP de tamaño pequeño se formaron en condiciones de alto caudal total. Además, los tamaños de PNL formados en el FRR de 5 fueron más pequeños que los del FRR de 3, independientemente del caudal total13.
También se prepararon LNP cargados con siRNA utilizando el dispositivo iLiNP (Figura 3A). Para la preparación de LNP cargado de siRNA, se utilizó DOTAP, un lípido catiónico, para encapsular el siRNA en los LNP de manera efectiva. El dispositivo iLiNP produjo LNPs catiónicos cargados con siRNA de 90 nm con distribución estrecha (Figura 3A, B). La eficiencia de encapsulación de siRNA fue del 95% debido a la interacción electrostática entre el lípido catiónico y los siRNAs cargados negativamente (Figura 3C).
Se evaluó la citotoxicidad y la actividad de silenciamiento génico de LNPs cargados de siRNA de 90 nm como se muestra en la Figura 4 y la Figura 5. Los LNP cargados de siRNA mostraron citotoxicidad a una dosis de 10 y 100 nM de siRNA. También confirmamos que el nivel de expresión de luciferasa disminuyó dependiendo de la concentración de siRNA. Los LNP cargados de siRNA suprimieron el 80% de la expresión de luciferasa a una dosis de 100 nM de siRNA. El efecto del tamaño de la LNP sobre la actividad silenciadora de genes se informó previamente6,13,17.
Figura 1: (A) Ilustración esquemática y (B) fotografía del dispositivo iLiNP. El dispositivo iLiNP comprende PDMS y sustratos de vidrio. El dispositivo iLiNP está conectado a los capilares PEEK con un superpegamento. Las soluciones lipídicas y siRNA/tampón se introducen por separado en el dispositivo iLiNP mediante bombas de jeringa. La suspensión LNP se recoge en un microtubo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Distribuciones de tamaño POPC LNP producidas por el dispositivo iLiNP en las diferentes relaciones de caudal (FRR). El tamaño popc LNP se mide mediante dispersión dinámica de luz (DLS). Los LNPs POPC se preparan cambiando el caudal total y el FRR: (A) 3 FRR y (B) 5 FRR. Los LNP de tamaño pequeño se forman en condiciones de alto caudal total. Además, los tamaños de LNP formados en el FRR de 5 fueron más pequeños que los del FRR de 3. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Caracterización de los LNPs cargados de siRNA. (A) Distribución de tamaño de los LNPs cargados de siRNA. los siRNAs (siGL4) se encapsulan en los LNPs por interacción electrostática entre el lípido catiónico (DOTAP) y los siRNAs cargados negativamente. (B) Potencial Z de los LNPs cargados de siRNA. La suspensión de LNP se diluyó con un tampón HEPES de 10 mM (pH 7.4) antes de la medición. Los datos se representan como media ± DE (desviación estándar). n = 3. (C) eficiencia de encapsulación de siRNA de los LNPs basados en DOTAP. La eficiencia de encapsulación se determinó mediante el ensayo RiboGreen. Los datos se representan como media ± SD. n = 3. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Citotoxicidad de los LNPs cargados de siRNA. Los LNPs cargados de siRNA se diluyeron con DMEM (FBS (-)) para obtener las concentraciones de siGL4 de 10 y 100 nM. Las suspensiones de LNP se añaden a las células HeLa-dLuc y se incuban durante 4 h a 37 °C en una incubadora de CO2 al 5%. N.T.: No tratado (D-PBS(-)). Los datos se representan como la media ± SD. n = 3. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Actividad de derribo del gen de la luciferasa tratada con LNPs cargados de siRNA. Los LNPs cargados de siRNA se preparan de la misma manera que el ensayo de viabilidad celular. El nivel de expresión de luciferasa se mide utilizando el sistema de ensayo de luciferasa de doble glo. N.T.: No tratado (D-PBS(-)). Los datos se representan como media ± SD. n = 3. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
El tamaño de la LNP afecta la biodistribución de la LNP, el efecto antitumoral y el rendimiento de silenciamiento génico. Por lo tanto, el método de control de tamaño LNP es una técnica importante para producir nanomedicamentos DDS, incluidos los sistemas de administración de ARN. El objetivo de este artículo es presentar el dispositivo iLiNP para el ajuste preciso del tamaño de los LNP y su aplicación a la producción de LNP cargados con siRNA. El dispositivo iLiNP fue capaz de controlar el tamaño LNP oscilado entre 20 y 100 nm (Figura 2)13. Cuando las condiciones de flujo, como el caudal total y el FRR se cambian para controlar el tamaño de LNP, la suspensión de LNP debe recogerse después de aproximadamente 5 a 10 s para estabilizar el flujo de solución. La suspensión de LNP recogida de la salida del dispositivo iLiNP se dializó inmediatamente contra la solución tampón para eliminar el etanol y evitar la agregación de LNP.
El control de tamaño LNP es uno de los principales desafíos en el campo de DDS. En general, el proceso de producción convencional de LNP, como el método de hidratación de la película lipídica, necesita un proceso de ajuste de tamaño después de la producción de LNP20. Por otro lado, el método de producción de LNPs basado en microfluídica puede producir los LNPs de tamaño controlado mediante la introducción de las soluciones lipídicas y acuosas en el dispositivo microfluídico6,11,13. Aunque se requiere el proceso de diálisis para eliminar el etanol de la suspensión de LNP, un proceso continuo por el dispositivo microfluídico junto con el sistema de flujo tangencial promete la automatización del proceso de producción de LNP14. Según la literatura, los tamaños POPC LNP fueron de 50-60 nm y 30-60 nm, para el dispositivo microfluídico de enfoque de flujo21 y el dispositivo mezclador caótico, respectivamente10. En comparación con otros dispositivos microfluídicos, el dispositivo iLiNP permite el control de tamaño POPC LNP en un amplio rango de 20 a 100 nm.
El proceso de fabricación del dispositivo iLiNP empleado fue la litografía blanda estándar. Por lo tanto, el dispositivo iLiNP puede ser producido en masa mediante la técnica de prototipado rápido y evitar la contaminación cruzada de las soluciones mediante el uso de un dispositivo desechable. El dispositivo iLiNP puede producir LNP cargados de siRNA de la misma manera que el método de producción popc LNP. Para el método de producción LNP que utiliza el dispositivo iLiNP, el usuario no requiere ningún procedimiento complicado. Por estas razones, se espera que el método de producción de LNP basado en microfluídica, incluido el dispositivo iLiNP, se emplee como el método de producción LNP estándar. El protocolo de este trabajo se puede adaptar a otros dispositivos microfluídicos para la producción de LNP. Además, la producción de LNPs cargados de ARNm también se habilita cambiando la solución de siRNA/tampón a una solución tampón que contiene ARNm.
Los autores no tienen nada que revelar.
Este trabajo fue apoyado por JST, CREST Grant Number JPMJCR17H1, Japan, JST, PRESTO Grant Number JPMJPR19K8, Japan, JST, SCORE, Japan, the Special Education and Research Expenses from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, JSPS KAKENHI Grant Number JP19KK0140, y Iketani Science and Technology Foundation.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) | NOF Corp. | MC-6081 | |
1,2-dimyristoyl-rac-glycero-3-methoxypolyethylene glycol-2000 (DMG-PEG2K) | NOF Corp. | GM-020 | |
1,2-dioleoyloxy-3-trimethylammonium propane (DOTAP) | NOF Corp. | CL-8181TA | |
1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholinev (DSPC) | NOF Corp. | MC-8080 | |
10 x D-PBS (-) | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 048-29805 | |
Acetic acid | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 017-00251 | |
CellTiter-Blue Cell Viability Assay | Promega | G8081 | |
cholesterol | Sigma-Aldrich | C8667-5G | |
Desktop maskless lithography system | NEOARK CORPORATION | DDB-701-DL4 | |
Dialysis membrane | Repligen | 132697 | |
Dual-Glo Luciferase Assay System | Promega | E2940 | |
Fetal bovine serum (FBS) | Thermo Fisher Scientific | Lot: 42G6587K | |
G418 | Nacalai Tesque | 08973-14 | |
Glass substrate | Matsunami Glass Ind., Ltd. | S1111 | |
Glass syringe | Hamilton | GASSTIGHT 1002 | |
HeLa cell | HeLa-dluc cells were provided from Dr. Yusuke Sato at Hokkaido University | ||
HEPES | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 342-01375 | |
Low-glucose Dulbecco’s modified Eagle medium (DMEM) | Sigma-Aldrich | D6046-500ML | |
Oxygen plasma cleaner | Femto Science | CUTE-1MP/R | |
Penicillin–streptomycin, trypsin (2.5%) | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
Quant-iT RiboGreen RNA Reagent | Thermo Fisher Scientific | R11491 | |
siGL4 | Hokkaido System Science Co., Ltd | The sense and antisense strand sequences of siGL4 are 5'-CCGUCGUAUUCGUGAGCAATsT -3' and 5'-UUGCUCACGAAUACGACGGTsT -3', respectively. | |
Silicon wafer | GTC | ||
SILPOT 184 W/C (PDMS) | Dow Corning Toray Co., Ltd. | silicone base and curing agent are included | |
Sodium acetate | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 192-01075 | |
Sodium chloride | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 191-01665 | |
SU-8 3050 | Nippon Kyaku Co., Ltd. | ||
Syringe connector | Institute of microchemical Technology Co., Ltd. | ISC-011 | |
Syringe pump | Chemyx | CX07200 | |
trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane | Sigma-Aldrich | 448931-10G | |
TritonX-100 | Nacalai Tesque | 35501-15 | |
UltraPure DNase/RNase-Free Distilled Water | Thermo Fisher Scientific | 10977015 | |
Zetasizer Nano ZS | Malvern Instruments | ZEN3600 |
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