应对全球疫苗分布挑战

Rumiana Tenchov, Information Scientist, CAS
microfluidics for improved production of lipid nanoparticles for vaccines

纳米技术的突破加速了疫苗生产

尽管 Delta 变异株的传播使得全球疫情仍不断爆发,但数据表明,疫苗接种在预防住院和死亡方面是有效的。 虽然全球疫苗接种总数已超过 40 亿剂,但只有 27% 的人口至少接种过一剂新冠肺炎疫苗,而在低收入国家中这个数字只有 1.1%。 分销新冠疫苗的生产和分销面临着许多供应链方面的挑战(冷藏、成本和运输),特别是疫苗所需的脂质纳米颗粒的生产。

各国家/地区的疫苗接种人口比例 - 2021 年 7 月

图 1:按国家和大洲划分的接种疫苗人口比例

为什么脂质纳米颗粒对于 mRNA 疗法至关重要?

由于核酸固有的不稳定性以及如下特性,将 mRNA 治疗药物输送到人体一直是一项重大挑战:

  • 负电荷和亲水性,这些特性阻碍了通过生物膜的被动扩散
  • 与血清蛋白结合,被吞噬细胞吸收,被内源性核酸酶降解,这些特性都阻碍了有效递送
  • 因此需要递送载体来保护其不被降解,并将其递送到靶细胞以实现有效吸收。  

正如最近的 mRNA 新冠肺炎疫苗所见,脂质纳米颗粒 (LNP) 能够有效保护 mRNA 并将其转运到细胞中。

疫苗生产受限于脂质纳米颗粒的产量

扩大任何治疗药物的生产规模都很困难,但要生产出产量足以满足全球疫苗需求的脂质纳米颗粒更是难上加难。 专为新冠肺炎疫苗开发和优化的专有可电离阳离子脂质合成是一个复杂的多步过程。 但在大规模生产 LNP 时甚至还面临着更大的挑战 — 将脂质和 mRNA 结合成纳米颗粒。

事实上,为了实现药物制剂的高效生产,生产工艺至关重要。 传统的 LNP 制造方法(包括但不限于薄膜水合、反相蒸发、溶剂注入和去污剂去除)通常会产生封装率较低的大 (>100 nm) 异质粒子,因此需要采取额外步骤来缩减尺寸,例如挤压或超声处理。 此外,这些方法难以扩大规模且重现性较差。

微流控是一个全新的方法。

最近,微流控已被证明可成功应用于 LNP 生产。 在微流控方法中,酒精中的脂质溶液被迫流入一个通道,该通道与水相同轴流交叉并被其包裹(图 2A)。 酒精和水在酒精/水界面处的相互扩散导致脂质沉淀并自组装成 LNP。 微流控技术稳定性强、可扩展且重现性较高。 对于 mRNA 疫苗制剂,脂质混合物包括可电离阳离子脂质,聚乙二醇改性脂质(PEG 脂质)和辅助脂质(磷脂酰胆碱、胆固醇),而水相则包含核酸。 阳离子脂质与带负电荷的核酸相互作用,产生具有高封装效率的 LNP。 可以通过精确控制微流控操作参数(例如流速和组分比),来生产具有限定尺寸且尺寸分布紧密的 LNP。 然而,该生产过程的产量有限 (

微流控装置示意图

图 2. 单通道微流控装置 (A) 和新型并行微流控装置 (B),后者包含 128 个并行工作的微混合通道。

早期结果很有希望

最近的生产技术突破使当前微流控生产率提高了一百倍以上。 目前已经构建了一种微流控装置,包含 128 个并行工作的微混合通道,这种并行微流控装置利用了超大规模微流控集成 (VLSMI) 平台技术。 这些通道混合了精确数量的脂质和 mRNA,制造出尺寸和封装 mRNA 数量精确控制的脂质纳米颗粒。 该装置的产量是单通道微流体装置 (18.4 L/h) 的一百倍以上,并为进一步扩大规模提供了极好的可能性,从而允许大规模生产携带 RNA 的脂质纳米颗粒。 已发表的结果表明,并行化的微流控装置产生的脂质纳米颗粒可有效用于基于 siRNA 和 mRNA 的疗法和疫苗。  

脂质纳米颗粒的生产将使更多的 mRNA 疗法成为可能

这些疫苗和疗法的开发有可能通过基因编辑和蛋白质替代疗法彻底改变医学。 目前,基于 LNP 的 mRNA 疫苗已进入针对多种传染病的临床试验,例如针对寨卡病毒、巨细胞病毒、结核病和流感的核苷修饰 mRNA 疫苗。 mRNA治疗性疫苗在针对黑色素瘤、卵巢癌、乳腺癌和其他实体瘤的癌症免疫治疗中具有巨大潜力。

使用 mRNA 表达治疗性蛋白质在通过应用蛋白质替​​代疗法治疗多种疾病方面具有很大的前景。 这种新开发的微流控制造技术满足了可扩展、高精度和可重复的 LNP 生产的临床需求,从而能够快速配制用于各种 RNA 疗法和疫苗的 LNP。 这不仅有可能解决全球分发的难题,还可促进新时代 mRNA 潜在疗法和疫苗的开发。

 

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