Method Article
I metodi di produzione di nanoparticelle lipidiche (LNP) a base microfluidica hanno attirato l'attenzione nei sistemi di somministrazione dei farmaci (DDS), compresa la somministrazione di RNA. Questo protocollo descrive la fabbricazione, la produzione di LNP (LNP caricato con siRNA) e i processi di valutazione LNP utilizzando il nostro dispositivo microfluidico originale denominato iLiNP.
Lo sviluppo di nanoparticelle lipidiche funzionali (LNP) è una delle principali sfide nel campo dei sistemi di somministrazione dei farmaci (DDS). Recentemente, i sistemi di rilascio dell'RNA basati su LNP, vale a dire gli LNP caricati con RNA, hanno attirato l'attenzione per la terapia dell'RNA. In particolare, i vaccini LNP caricati con mRNA sono stati approvati per prevenire COVID-19, portando così al cambio di paradigma verso lo sviluppo di nanofarmaci di prossima generazione. Per i nanofarmaci basati su LNP, la dimensione LNP è un fattore significativo nel controllo della biodistribuzione LNP e delle prestazioni LNP. Pertanto, una precisa tecnica di controllo delle dimensioni LNP è indispensabile per il processo di produzione LNP. Qui, riportiamo un protocollo per la produzione di LNP controllata dalle dimensioni utilizzando un dispositivo microfluidico, chiamato iLiNP. Anche gli LNP caricati con siRNA vengono prodotti utilizzando il dispositivo iLiNP e valutati mediante esperimento in vitro . I risultati rappresentativi sono mostrati per la dimensione LNP, inclusi LNP caricati con siRNA, potenziale Z, efficienza di incapsulamento del siRNA, citotossicità e attività di silenziamento genico bersaglio.
La nanoparticella lipidica (LNP) è uno dei nanovettori più utilizzati per i sistemi di rilascio dell'RNA. Recentemente, gli LNP caricati con mRNA sono stati approvati come vaccini per la prevenzione di COVID-191,2,3. In generale, la dimensione di LNP svolge un ruolo cruciale nelle prestazioni dei sistemi di biodistribuzione e somministrazione di farmaci (DDS), compreso il silenziamento genico o l'espressione proteica4,5,6. Pertanto, è necessario un preciso metodo di controllo delle dimensioni LNP per il processo di produzione LNP.
Per la produzione di LNP a grandezza controllata, i dispositivi microfluidici hanno attirato l'attenzione nel corso degli anni7. Nel 2018, il primo LNP caricato di siRNA approvato dalla Food and Drug Administration (FDA) (ad esempio, Onpattro) è stato sviluppato utilizzando il dispositivo microfluidico8,9. Nel metodo di produzione LNP a base microfluidica, una soluzione lipidica e una soluzione acquosa vengono introdotte separatamente nel dispositivo microfluidico e quindi miscelate nel microcanale. Per migliorare l'efficienza di miscelazione, il dispositivo mixer caotico è stato utilizzato per la produzione LNP10,11,12. Il caotico dispositivo mixer consente di produrre LNP di dimensioni specifiche.
Un semplice dispositivo microfluidico, chiamato produzione invasiva di nanoparticelle lipidiche (iLiNP), dotato di strutture deflettoriali, è stato sviluppato per controllare con precisione la dimensione LNP13,14. Rispetto al caotico dispositivo mixer, il dispositivo iLiNP è stato in grado di controllare la dimensione LNP variava da 20 a 100 nm a intervalli di 10 nm. Inoltre, il dispositivo iLiNP produceva LNP6 caricati con siRNA, LNP15 caricati con mRNA, LNP16 caricati con ribonucleoproteine e LNP simili a esosomi17. Lo scopo di questo documento è quello di introdurre il processo di produzione LNP caricato con siRNA del dispositivo iLiNP e descrivere il processo di valutazione LNP prodotto dal dispositivo iLiNP.
1. Fabbricazione del dispositivo iLiNP
NOTA: il dispositivo iLiNP è fabbricato utilizzando il metodo standard di litografia morbida18. Il protocollo di fabbricazione dettagliato è stato riportato in precedenza10,13.
2. Preparazione di soluzioni lipidiche
3. Preparazione di soluzioni acquose
4. Preparazione della soluzione siRNA/tampone
5. Configurazione del dispositivo iLiNP e produzione di LNP
NOTA: vedere la Figura 1 per gli schemi.
6. Dialisi della sospensione LNP e misurazione delle dimensioni LNP
7. Misurazione del potenziale Z dell'LNP
NOTA: per la misurazione del potenziale Z, è stato utilizzato un analizzatore di particelle (vedere Tabella dei materiali) seguendo le istruzioni del produttore.
8. efficienza di incapsulamento del siRNA mediante test RiboGreen
NOTA: Il test Ribogreen viene eseguito per valutare l'incapsulamento del siRNA in LNP19. Il test Ribogreen può misurare la quantità di RNA all'interno e all'esterno di LNP con / senza tensioattivo (ad esempio, TritonX-100).
9. Coltura cellulare
10. Saggio di vitalità cellulare
11. Test di knockdown del gene luciferasi
La figura 2A,B mostra la distribuzione dimensionale POPC LNP prodotta in diverse condizioni di flusso. Il metodo di preparazione LNP basato su microfluidica può controllare le dimensioni degli LNP in base alle condizioni di flusso come la portata totale (TFR) e l'FRR. Rispetto ai tipici dispositivi microfluidici, tra cui il dispositivo mixer caotico e il dispositivo microfluidico di messa a fuoco del flusso, il dispositivo iLiNP ha consentito un controllo preciso delle dimensioni LNP che va da 20 a 100 nm (Figura 2). Gli LNP di piccole dimensioni si sono formati in condizioni di portata totale elevata. Inoltre, le dimensioni LNP formate al FRR di 5 erano inferiori a quelle del FRR di 3, indipendentemente dalla portata totale13.
Anche gli LNP caricati con siRNA sono stati preparati utilizzando il dispositivo iLiNP (Figura 3A). Per la preparazione LNP caricata con siRNA, DOTAP, un lipide cationico, è stato utilizzato per incapsulare efficacemente il siRNA negli LNP. Il dispositivo iLiNP ha prodotto LNP cationici caricati con siRNA di dimensioni 90 nm con distribuzione ristretta (Figura 3A, B). L'efficienza di incapsulamento del siRNA è stata del 95% a causa dell'interazione elettrostatica tra il lipide cationico e i siRNA caricati negativamente (Figura 3C).
La citotossicità e l'attività di silenziamento genico di LNP caricati con siRNA di dimensioni 90 nm sono state valutate come mostrato in Figura 4 e Figura 5. Gli LNP caricati con siRNA hanno mostrato citotossicità alla dose di 10 e 100 nM siRNA. Abbiamo anche confermato che il livello di espressione della luciferasi era diminuito a seconda della concentrazione di siRNA. Gli LNP caricati con siRNA hanno soppresso l'espressione dell'80% di luciferasi alla dose di 100 nM siRNA. L'effetto della dimensione LNP sull'attività di silenziamento genico è stato riportato in precedenza6,13,17.
Figura 1: (A) Illustrazione schematica e (B) fotografia del dispositivo iLiNP. Il dispositivo iLiNP comprende PDMS e substrati di vetro. Il dispositivo iLiNP è collegato ai capillari PEEK con una supercolla. Le soluzioni lipidiche e siRNA/tampone vengono introdotte separatamente nel dispositivo iLiNP utilizzando pompe a siringa. La sospensione LNP viene raccolta in un microtubo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Distribuzioni dimensionali POPC LNP prodotte dal dispositivo iLiNP ai diversi rapporti di portata (FRR). La dimensione POPC LNP viene misurata mediante diffusione dinamica della luce (DLS). Gli LNP POPC vengono preparati modificando la portata totale e l'FRR: (A) 3 FRR e (B) 5 FRR. Gli LNP di piccole dimensioni si formano in condizioni di portata totale elevata. Inoltre, le dimensioni LNP formate al FRR di 5 erano più piccole di quelle al FRR di 3. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Caratterizzazione degli LNP caricati con siRNA. (A) Distribuzione dimensionale degli LNP caricati con siRNA. I siRNA (siGL4) sono incapsulati negli LNP dall'interazione elettrostatica tra il lipide cationico (DOTAP) e i siRNA caricati negativamente. (B) Potenziale Z dei LNP caricati con siRNA. La sospensione LNP è stata diluita con tampone HEPES da 10 mM (pH 7,4) prima della misurazione. I dati sono rappresentati come ± SD (Deviazione Standard). n = 3. (C) efficienza di incapsulamento del siRNA dei LNP basati su DOTAP. L'efficienza di incapsulamento è stata determinata dal test RiboGreen. I dati sono rappresentati come ± SD. n = 3. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Citotossicità degli LNP caricati con siRNA. Gli LNP caricati con siRNA sono stati diluiti con DMEM (FBS (-)) per ottenere le concentrazioni di siGL4 di 10 e 100 nM. Le sospensioni LNP vengono aggiunte alle cellule HeLa-dLuc e incubate per 4 ore a 37 °C in un incubatore a CO2 al 5%. N.T.: Non trattati (D-PBS(-)). I dati sono rappresentati come la media ± SD. n = 3. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Attività di knockdown del gene luciferasi trattata con LNP caricati con siRNA. Gli LNP caricati con siRNA sono preparati allo stesso modo del test di vitalità cellulare. Il livello di espressione della luciferasi viene misurato utilizzando il sistema di analisi dual-glo luciferasi. N.T.: Non trattati (D-PBS(-)). I dati sono rappresentati come ± SD. n = 3. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
La dimensione LNP influenza la biodistribuzione LNP, l'effetto antitumorale e le prestazioni di silenziamento genico. Pertanto, il metodo di controllo delle dimensioni LNP è una tecnica significativa per la produzione di nanofarmaci DDS, compresi i sistemi di rilascio dell'RNA. Lo scopo di questo documento è quello di introdurre il dispositivo iLiNP per la regolazione precisa delle dimensioni degli LNP e la sua applicazione alla produzione di LNP caricati con siRNA. Il dispositivo iLiNP è stato in grado di controllare la dimensione LNP compresa tra 20 e 100 nm (Figura 2)13. Quando le condizioni di flusso, come la portata totale e l'FRR vengono modificate per controllare la dimensione LNP, la sospensione LNP deve essere raccolta dopo circa 5-10 s per stabilizzare il flusso della soluzione. La sospensione LNP raccolta dall'uscita del dispositivo iLiNP è stata dializzata immediatamente contro la soluzione tampone per rimuovere l'etanolo e prevenire l'aggregazione LNP.
Il controllo delle dimensioni LNP è una delle principali sfide nel campo del DDS. Generalmente, il processo di produzione LNP convenzionale, come il metodo di idratazione del film lipidico, richiede un processo di regolazione delle dimensioni dopo la produzione LNP20. D'altra parte, il metodo di produzione LNP a base microfluidica può produrre LNP a dimensione controllata introducendo le soluzioni lipidiche e acquose nel dispositivo microfluidico6,11,13. Sebbene il processo di dialisi sia necessario per rimuovere l'etanolo dalla sospensione LNP, un processo continuo da parte del dispositivo microfluidico accoppiato con il sistema a flusso tangenziale promette l'automazione del processo di produzione LNP14. Secondo la letteratura, le dimensioni POPC LNP erano 50-60 nm e 30-60 nm, rispettivamente per il dispositivo microfluidico di messa a fuoco del flusso21 e il dispositivo mixer caotico10. Rispetto ad altri dispositivi microfluidici, il dispositivo iLiNP consente il controllo delle dimensioni LNP POPC in un ampio intervallo da 20 a 100 nm.
Il processo di fabbricazione del dispositivo iLiNP impiegato era la litografia morbida standard. Pertanto, il dispositivo iLiNP può essere prodotto in serie mediante tecnica di prototipazione rapida e prevenire la contaminazione incrociata delle soluzioni utilizzando un dispositivo monouso. Il dispositivo iLiNP può produrre LNP caricati con siRNA allo stesso modo del metodo di produzione POPC LNP. Per il metodo di produzione LNP che utilizza il dispositivo iLiNP, l'utente non richiede procedure complicate. Per questi motivi, il metodo di produzione LNP basato su microfluidico, incluso il dispositivo iLiNP, dovrebbe essere utilizzato come metodo di produzione LNP standard. Il protocollo di questo documento può essere adattato ad altri dispositivi microfluidici per la produzione di LNP. Inoltre, la produzione di LNP caricati con mRNA è abilitata anche cambiando la soluzione siRNA/buffer in una soluzione tampone contenente mRNA.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Questo lavoro è stato supportato da JST, CREST Grant Number JPMJCR17H1, Giappone, JST, PRESTO Grant Number JPMJPR19K8, Giappone, JST, SCORE, Giappone, le spese speciali per l'istruzione e la ricerca del Ministero dell'Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia, JSPS KAKENHI Grant Number JP19KK0140 e 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 |
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
Richiedi AutorizzazioneThis article has been published
Video Coming Soon