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미세유체계 지질나노입자(LNP) 생산 방법은 RNA 전달을 포함한 약물 전달 시스템(DDSs)에서 주목받고 있다. 이 프로토콜은 iLiNP라는 이름의 당사의 원래 미세 유체 장치를 사용하여 제조, LNP(siRNA 로드 LNP) 생산 및 LNP 평가 프로세스를 설명합니다.
기능성 지질 나노 입자 (LP)의 개발은 약물 전달 시스템 (DDS)의 분야에서 주요 과제 중 하나입니다. 최근에는 LNP 계 RNA 전달 시스템, 즉 RNA 로딩 LNPs가 RNA 치료에 관심을 모으고 있다. 특히, mRNA-로드 LNP 백신은 COVID-19를 방지하기 위해 승인되어 차세대 나노의약품의 개발을 향한 패러다임 전환을 초래했다. LNP 기반 나노 의약품의 경우 LNP 크기는 LNP 바이오 분배 및 LNP 성능을 제어하는 중요한 요소입니다. 따라서 LNP 생산 공정에 는 정확한 LNP 크기 제어 기술이 필수적입니다. 여기서는 iLiNP라는 미세 유체 장치를 사용하여 크기 제어 LNP 생산을 위한 프로토콜을 보고합니다. siRNA 로드 된 LP는 또한 iLiNP 장치를 사용하여 생성되고 시험관 내 실험에 의해 평가된다. 대표적인 결과는 SiRNA-로드LNP, Z-잠재력, siRNA 캡슐화 효율, 세포 독성 및 표적 유전자 침묵 활성을 포함하는 LNP 크기에 대해 도시된다.
지질 나노 입자 (LNP)는 RNA 전달 시스템에 가장 널리 사용되는 나노 캐리어 중 하나입니다. 최근에는 mRNA-로드 LP가 COVID-191,2,3의 예방을 위한 백신으로 승인되었습니다. 일반적으로, LNP의 크기는 유전자 침묵 또는 단백질 발현을 포함하는 바이오 분배 및 약물 전달 시스템(DDS) 성능에 중요한 역할을 한다4,5,6. 따라서 LNP 생산 공정에 대해 정확한 LNP 크기 제어 방법이 필요합니다.
크기 제어 LP의 생산을 위해, 미세 유체 장치는 수년에 걸쳐 관심을 끌고있다7. 2018년, 최초의 식품의약국(FDA)이 승인한 siRNA-로드 LP(예를 들어, 온파트로)는 미세유체 장치를 사용하여 개발되었다8,9. 미세유체 계 LNP 생산 방법에서, 지질 용액 및 수성 용액은 마이크로 유체 장치로 별도로 도입된 다음 마이크로채널에 혼합된다. 혼합 효율을 향상시키기 위해 혼란스러운 믹서 장치는 LNP 생산10,11,12에 사용되었습니다. 혼란스러운 믹서 장치를 사용하면 특정 크기의 LP를 생성할 수 있습니다.
배플 구조를 갖춘 침습지질 나노입자 생성(iLiNP)이라는 간단한 미세유체 장치는 LNP 크기를 정밀하게 제어하기 위해 개발되었다13,14. 혼란스러운 믹서 장치에 비해 iLiNP 장치는 10 nm 간격으로 20~100nm 범위의 LNP 크기를 제어할 수 있었습니다. 또한, iLiNP 장치는 siRNA 로드 LNPs6, mRNA 로드 LNPs15, 리보뉴클레오프로틴 로드 LNPs16 및 엑소솜 같은 LNPs17을 생산했다. 이 논문의 목적은 iLiNP 장치의 제조 및 SiRNA 로드 LNP 생산 공정을 소개하고 iLiNP 장치에 의해 생성된 LNP 평가 프로세스를 설명하는 것입니다.
1. iLiNP 장치의 제조
참고: iLiNP 장치는 표준 소프트 리소그래피 방법을 사용하여 제조된다18. 상세한 제조 프로토콜은 이전에보고되었다10,13.
2. 지질 솔루션 준비
3. 수성 솔루션 준비
4. siRNA/버퍼 용액 의 준비
5. iLiNP 장치 설정 및 LP 생산
참고: 회로도의 그림 1 을 참조하십시오.
6. LNP 서스펜션 및 LNP 크기 측정의 투석
7. LNP의 Z 잠재력 측정
참고: Z-잠재력을 측정하기 위해 제조업체의 지시에 따라 입자 분석기( 재료 표 참조)가 사용되었습니다.
8. 리보그린 분석에 의한 siRNA 캡슐화 효율
참고: 리보그린 분석은 LNPs19로 의 siRNA 캡슐화를 평가하기 위해 수행됩니다. 리보그린 분석은 계면활성제(예: TritonX-100)가 있는 LP 내부 및 외부의 RNA 양을 측정할 수 있습니다.
9. 세포 배양
10. 셀 생존 가능성 분석
11. 루시파라제 유전자 녹다운 분석
도 2A, B 는 다른 유동 조건에서 생산된 POPC LNP 크기 분포를 나타낸다. 상기 미세유체계 LNP 제제 방법은 총 유량(TFR) 및 FRR과 같은 유량 조건에 의해 LP의 크기를 조절할 수 있다. iLiNP 장치는 혼돈믹서 장치 및 유동 초점 미세 유체 장치를 포함한 일반적인 미세 유체 장치와 비교하여 20~100nm(그림 2)에 이르는 정밀한 LNP 크기 제어를 가능하게 했습니다. 총 유량 조건에서 형성된 소형 LN. 또한, FRR에서 형성된 LNP 크기는 총 유량13에 관계없이 3의 FRR보다 작아졌다.
siRNA-로드 된 LP는 또한 iLiNP 장치를 사용하여 준비되었다 (도 3A). siRNA 로드 LNP 제제를 위해, 양이온 지질인 DOTAP는 SiRNA를 LN에 효과적으로 캡슐화하는 데 사용되었습니다. iLiNP 장치는 좁은 분포를 가진 90 nm 크기의 siRNA 로드 된 양이온 LP를 생산 (그림 3A, B). siRNA 캡슐화 효율은 양이온 지질과 음전하 siRNAs(도 3C)사이의 정전기 상호 작용으로 인해 95%였다.
90nm 크기의 siRNA-로드 LP의 세포독성 및 유전자 침묵 활성은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 평가되었다. siRNA 로드 LNP의 복용량에서 세포 독성을 보여주었다 10 그리고 100 nM siRNA. 또한 siRNA 농도에 따라 루시파라제의 발현 수준이 감소된 것을 확인했습니다. siRNA 로드 LNPs 억제 80% luciferase 발현의 복용량에서 100 nM siRNA. 유전자 침묵 활동에 LNP 크기의 효과는 이전에보고되었다6,13,17.
도 1: (A) iLiNP 장치의 회로도 일러스트레이션 및 (B) 사진. iLiNP 장치는 PDMS 및 유리 기판을 포함한다. iLiNP 장치는 슈퍼 접착제와 PEEK 모세 혈관에 연결되어 있습니다. 지질 및 siRNA/버퍼 솔루션은 주사기 펌프를 사용하여 iLiNP 장치에 별도로 도입됩니다. LNP 서스펜션은 마이크로튜브로 수집됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: iLiNP 장치에 의해 생성된 POPC LNP 크기 분포는 서로 다른 유량 비율(FRR)에서 생성된다. POPC LNP 크기는 동적 광 산란(DLS)에 의해 측정됩니다. POPC LP는 총 유량 및 FRR: (A) 3 FRR 및 (B) 5 FRR을 변경하여 제조됩니다. 소형 LP는 높은 총 유량 조건에서 형성됩니다. 또한, 5의 FRR에서 형성된 LNP 크기는 3의 FRR에 있는 것보다 작습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 3: siRNA 로드 LNPs. (A) siRNA 로드 LNPs의 크기 분포의 특성화. siGL4(siGL4)는 양이온 지질(DOTAP) 및 음전하 시RNA 사이의 정전기 상호 작용에 의해 LP로 캡슐화된다. (B) siRNA 로드 LP의 Z-잠재력. LNP 서스펜션은 측정 전에 10m HEPES 버퍼(pH 7.4)로 희석하였다. 데이터는 sD(표준 편차)± 의미로 표시됩니다. n = 3. (C) DOTAP 기반 LP의 siRNA 캡슐화 효율. 캡슐화 효율은 RiboGreen 분석에 의해 결정되었습니다. 데이터는 SD. n = 3에 ± 의미로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: siRNA 로드 LP의 세포 독성. siRNA-로드 된 LP는 DMEM (-)으로 희석되어 10 및 100 nM의 siGL4 농도를 얻었다. LNP 현탁액은 HeLa-dLuc 세포에 첨가되고 5% CO2 인큐베이터에서 37°C에서 4시간 동안 배양됩니다. N.T.: 비처리(D-PBS(-). 데이터는 SD. n = 3에 ± 평균으로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 5: siRNA 로드 LNPs로 처리된 루시파라제 유전자 녹다운 활성. siRNA-로드 LNPs는 세포 생존 가능성 분석과 동일한 방식으로 제조된다. 루시파라제식 레벨은 듀얼 글로 루시파아제 분석 시스템을 사용하여 측정됩니다. N.T.: 비처리(D-PBS(-). 데이터는 평균 ± SD. n = 3으로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
LNP 크기는 LNP 생체 분포, 항 종양 효과 및 유전자 침묵 성능에 영향을 미칩니다. 따라서, LNP 크기 제어 방법은 RNA 전달 시스템을 포함하는 DDS 나노 의약품을 제조하는 중요한 기술이다. 이 논문의 목적은 LP의 정확한 크기 튜닝을 위한 iLiNP 장치와 siRNA 로드 LNPs 생산에 응용 프로그램을 도입하는 것입니다. iLiNP 장치는 20nm(그림 2)13범위의 LNP 크기를 제어할 수 있었다. 총 유량 및 FRR과 같은 유동 조건이 LNP 크기를 제어하도록 변경되면, LNP 서스펜션은 약 5~10s 후에 수집하여 용액 흐름을 안정화시켜야 한다. iLiNP 장치의 콘센트에서 수집된 LNP 서스펜션은 완충액에 대해 즉시 투석되어 에탄올을 제거하고 LNP 응집을 방지했습니다.
LNP 크기 제어는 DDS 분야의 주요 과제 중 하나입니다. 일반적으로, 지질필름 수화 방법과 같은 기존의 LNP 생산 공정은 LNP 제작 후 크기 튜닝 공정이 필요하다20. 한편, 미세유체계 LNPs 생산 방법은 지질 및 수성 용액을 미세유체 장치에 도입하여 크기 조절 LP를 생성할 수 있다6,11,13. 투석 공정은 LNP 서스펜션에서 에탄올을 제거해야 하지만, 접선 유동 시스템과 결합된 미세유체 장치에 의한 지속적인 공정은 LNP 생산 공정의 자동화를 약속한다14. 문헌에 따르면, POPC LNP 크기는 50-60 nm와 30-60 nm, 유동-집중 미세 유체 장치21 및 혼돈믹서 장치에 대해 각각10이었다. 다른 미세 유체 장치에 비해 iLiNP 장치는 20nm에서 100 nm까지 넓은 범위에서 POPC LNP 크기 제어를 가능하게합니다.
iLiNP 장치의 제조 과정은 표준 소프트 리소그래피였습니다. 따라서 iLiNP 장치는 신속한 프로토타이핑 기술에 의해 대량 생산될 수 있으며 일회용 장치를 사용하여 용액의 교차 오염을 방지할 수 있다. iLiNP 장치는 POPC LNP 생산 방법과 동일한 방식으로 siRNA 로드 LP를 생성할 수 있다. iLiNP 장치를 사용하는 LNP 생산 방법의 경우 사용자는 복잡한 절차를 필요로 하지 않습니다. 이러한 이유로 iLiNP 장치를 포함한 미세 유체 기반 LNP 생산 방법은 표준 LNP 생산 방법으로 사용될 것으로 예상됩니다. 이 논문의 프로토콜은 LNP 생산을 위한 다른 미세 유체 장치에 적용될 수 있습니다. 또한, mRNA 로드 LP의 생산은 siRNA/버퍼 용액을 mRNA를 포함하는 완충액으로 변경하여 활성화된다.
저자는 공개 할 것이 없습니다.
이 작품은 JST, 크레스트 그랜트 번호 JPMJCR17H1, 일본, JST, PRESTO 보조금 번호 JPMJPR19K8, 일본, JST, 스코어, 일본, 교육, 문화, 스포츠, 과학 기술부, JSPS KAKENHI 보조금 번호 JP19KK0140, 그리고 Ikee과학에 의해 지원되었다.
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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