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【瑞士步琦】助您輕松解決RNA的干燥和遞送

RNA 的干燥和遞送平臺(tái)

 

在過(guò)去幾年中,脂質(zhì)納米顆粒(LNPs)已被發(fā)現(xiàn)是 RNA 傳遞的有效載體,有多個(gè)傳染病和癌癥治療的臨床試驗(yàn)可證實(shí)。以 mRNA 為載體的疫苗對(duì)于治療嚴(yán)重疾病如嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2型(SARS-CoV-2)的成功一定程度上可歸功于開(kāi)發(fā)了包含 mRNA 的 LNPs 以實(shí)現(xiàn)有效的細(xì)胞內(nèi)傳遞。本文探討了噴霧干燥工藝作為凍干以外的另一種脫水過(guò)程,可以提高 LNPs 的穩(wěn)定性并提供可替代的給藥途徑。

 

圖1.聚乙二醇化脂質(zhì)納米顆粒和脂質(zhì)體的示意圖

 

RNA 疫苗的挑戰(zhàn)

疫苗液體配方的穩(wěn)定性問(wèn)題可能成為其工業(yè)化和分銷的障礙。高溫可能會(huì)影響疫苗的穩(wěn)定性因此,通常需要冷鏈系統(tǒng)來(lái)保持疫苗的活性。mRNA 儲(chǔ)存過(guò)程中的化學(xué)不穩(wěn)定性包括 N-糖苷鍵的水解、磷酸二酯鍵的水解、胞嘧啶衍生物的脫氨和核堿基或糖部分的氧化。然而,當(dāng)疫苗轉(zhuǎn)化為干粉時(shí),可獲得更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和更長(zhǎng)的保質(zhì)期。

 

利用凍干技術(shù)制備 RNA 疫苗

凍干或冷凍干燥是干燥疫苗常用的方法,處理過(guò)程由三部分組成:

 

組成部分

  1. 形成冰晶的冷凍過(guò)程

  2. 通過(guò)低溫升華除去冷凍水的初級(jí)干燥過(guò)程

  3. 通過(guò)解析干燥除去殘留水的次級(jí)干燥過(guò)程

 

較高的冷凍溫度、較慢的冷凍速率和較長(zhǎng)的次級(jí)干燥時(shí)間都有利于干燥過(guò)程的穩(wěn)定性。然而,在這個(gè)復(fù)雜的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力源,如冷凍和干燥應(yīng)力。冰對(duì)顆粒產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和 PEG 層的結(jié)晶會(huì)導(dǎo)致顆粒融合,這些都是在冷凍過(guò)程中可能發(fā)生的情況。冷凍保護(hù)劑或凍干保護(hù)劑等輔料是在凍干前添加到顆粒懸浮液中的穩(wěn)定劑,常用的是糖類(如海藻糖)或糖醇(如甘露醇)。

 

關(guān)于使用冷凍保護(hù)劑或凍干保護(hù)劑來(lái)穩(wěn)定納米顆粒的幾個(gè)理論中,非晶玻璃理論最為廣泛接受,具體是指在冷凍過(guò)程中,冷凍保護(hù)劑凝固成顆粒周圍的無(wú)定形玻璃,保護(hù)它們免受融合。2007 年,Jones 等人報(bào)道,在冷凍干燥之前,在自擴(kuò)增 RNA 中加入海藻糖,可以在冷藏條件下保持至少 10 個(gè)月的穩(wěn)定性,并且在轉(zhuǎn)染后,觀察到了高水平表達(dá)[1]。幾年后,mRNA 疫苗對(duì)傳染病(流感)的有效性在動(dòng)物模型中得到證實(shí)。凍干的 mRNA 流感疫苗在小鼠免疫前 37°C 可以穩(wěn)定保存 3 周[2]。該研究小組在后來(lái)的一篇論文中報(bào)道,在 70°C 條件下暴露于抗狂犬病感染的非復(fù)制 mRNA 疫苗并不影響其保護(hù)能力[3]。

 

CureVac 也報(bào)道,另一種同樣抗狂犬病的 mRNA 疫苗經(jīng)海藻糖凍干,在 5-25°C 下可以穩(wěn)定保存3年,在 40°C 可穩(wěn)定保存 6 個(gè)月[4]。最近,發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于 mRNA 負(fù)載 LNPs 的研究,Zhao 等人比較了兩種不同的長(zhǎng)期儲(chǔ)存mRNA納米顆粒的方法。他們觀察到,盡管使用 20% (w/v)的蔗糖或海藻糖穩(wěn)定了納米顆粒的大小和 mRNA 的體外遞送效率,但相同的顆粒在體內(nèi)遞送效率不高。原因可能是在凍干和重構(gòu)過(guò)程中納米顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。在添加 5% (w/v)蔗糖或海藻糖的液氮中冷凍裝載 mRNA 的 LNPs 可能是長(zhǎng)期儲(chǔ)存的替代方案[5]。

 

利用噴霧干燥技術(shù)制備 RNA 疫苗

噴霧干燥提供了一種替代方法來(lái)生產(chǎn)干燥疫苗,這種疫苗能耗更低,操作成本更低,并且避免了細(xì)胞冷凍和高真空。噴霧干燥是一個(gè)連續(xù)的干燥過(guò)程,它包括四個(gè)主要階段:

 

主要階段

  1. 液體進(jìn)料的霧化

  2. 熱干燥氣體與霧化噴霧的接觸

  3. 干燥顆粒的形成

  4. 顆粒的氣固分離

 

一個(gè)重要的觀點(diǎn)是,噴霧干燥疫苗可用于非傳統(tǒng)給藥途徑,如口服、肺部或鼻內(nèi)途徑。盡管有這些優(yōu)點(diǎn),但在噴霧干燥過(guò)程中,由于高溫和剪切力,系統(tǒng)可能不穩(wěn)定。熱應(yīng)力和剪應(yīng)力都增加了動(dòng)能,加劇了顆粒的碰撞。在此過(guò)程中脂質(zhì)部分熔化也會(huì)導(dǎo)致顆粒聚集,因此建議使用熔點(diǎn)高于 70℃ 的脂質(zhì)。粒徑分布、聚合物分散性指數(shù)(Pdi)接近1和高變異系數(shù)的差異是顆粒聚集的信號(hào)??梢酝ㄟ^(guò)添加合適的穩(wěn)定劑或使用酒精來(lái)代替水溶液分散介質(zhì)可以降低熱應(yīng)力。另一方面,可以通過(guò)使用低脂質(zhì)含量或添加穩(wěn)定劑來(lái)最小化剪切應(yīng)力。糖類是常用的穩(wěn)定劑,但也常添加其他輔料,如二價(jià)離子、蛋白質(zhì)、表面活性劑和聚合物。

 

1998 年,醫(yī)藥領(lǐng)域?qū)χ|(zhì)納米顆粒進(jìn)行噴霧干燥研究,其作者展示了將固體 LNP 懸浮液成功轉(zhuǎn)化為粉末形式,使用非常低的脂質(zhì)濃度(1%)和高海藻糖濃度(25%)作為噴霧干燥基質(zhì)[6]。在噴霧干燥之前,在脂質(zhì)納米顆粒上添加生物聚合物,如酪蛋白、果膠或木瓜蛋白酶,可以有效防止 LNP 聚集。Gaspar 等人用木瓜蛋白酶層覆蓋固體 LNP,然后用海藻糖或甘露醇噴霧干燥[7]。也有報(bào)道將裝載姜黃素的固體 LNP 用一層果膠進(jìn)行噴霧干燥,然后進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)。交聯(lián)確實(shí)可以改善固體 LNP 的物理化學(xué)性質(zhì)[8]。作者也使用了不同的天然多糖,如果膠、卡拉膠、羧甲基纖維素、阿拉伯膠和海藻酸鹽作為壁材,但都發(fā)生了顆粒聚集。而用果膠或卡拉膠噴霧干燥含有 20-30% 油酸的 LNP 可獲得穩(wěn)定的粉末顆粒[9]。文獻(xiàn)中報(bào)道了聚合物雜交 LNP,例如用透明質(zhì)酸與聚丙烯酸交聯(lián)制備了阿昔洛韋載藥聚合物混合脂質(zhì)納米顆粒。與常規(guī)制劑相比,阿昔洛韋的溶解度可提高 30%,提高了其作為口服給藥系統(tǒng)的生物利用度[10]。最近,Dormenval 等人用甘露醇作為穩(wěn)定賦形劑制備了噴霧干燥負(fù)載 siRNA 的聚合物雜化 LNP。該小組還打算使用微流體技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)大工藝規(guī)模[11]。

 

目前為止,還沒(méi)有商業(yè)化的噴霧干燥疫苗。然而,已有藥企開(kāi)展了一些研究,特別是以流感和結(jié)核病為重點(diǎn)的研究。關(guān)于噴霧干燥的 mRNA 治療目前報(bào)道研究較少,與噴霧干燥的 mRNA 載藥 LNPs 也較少。Patel等人報(bào)道可吸入的 mRNA 遞送,在他們的研究中, mRNA 通過(guò)霧化方式由超支化聚氨基酯(hPBAEs)傳遞給小鼠,在小鼠肺上皮中觀察到高水平的基因表達(dá)[12]。最近香港大學(xué)的研究人員表明,可以使用噴霧干燥和噴霧冷凍干燥制備可吸入的 mRNA 干粉。這種聚乙二醇化的 KL4/mRNA 復(fù)合物在健康小鼠的肺中產(chǎn)生了良好的基因表達(dá),并且沒(méi)有引起明顯的毒性和炎癥反應(yīng)[13]。

 

結(jié)論

基于臨床前和臨床研究,使用 LNPs 作為納米載體的 mRNA 疫苗已顯示出治療多種化學(xué)疾病包括傳染病和癌癥的巨大潛力。LNPs 與其他載體相比具有多種優(yōu)勢(shì): mRNA 保護(hù)、更高載荷的遞送、靶配體的結(jié)合以及與佐劑的共傳遞。通常情況下,mRNA 疫苗制劑以液態(tài)開(kāi)發(fā)并冷凍儲(chǔ)存。為了優(yōu)化其分布和儲(chǔ)存能力,人們對(duì)開(kāi)發(fā)耐熱的 mRNA 配方產(chǎn)生了興趣。噴霧干燥是傳統(tǒng)凍干技術(shù)的一個(gè)不錯(cuò)替代選擇,因?yàn)閲婌F干燥在顆粒工程和非傳統(tǒng)疫苗給藥途徑有天然優(yōu)勢(shì)。

 

關(guān)注瑞士步琦,無(wú)論是凍干技術(shù)還是噴霧干燥,都能為您的 RNA 干粉制備提供解決方案。

 

L-300 凍干機(jī)

 

S-300 噴霧干燥儀

 

5

參考文獻(xiàn)

  1. Jones KL, Drane D, Gowans EJ. Long-term storage of DNA-free RNA for use in vaccine studies. Biotechniques. 2007;43(5):675–681.

  2. Petsch B, Schnee M, Vogel AB, et al. Protective efficacy of in vitro synthesized, specific mRNA vaccines against influenza A virus infection. Nat Biotechnol. 2012;30(12):1210–1216.

  3. Stitz L, Vogel A, Schnee M, et al. A thermostable messenger RNA based vaccine against rabies. PLoS Negl Trop Dis. 2017;11(12):e0006108.

  4. Alberer M, Gnad-Vogt U, Hong HS, et al. Safety and immunogenicity of a mRNA rabies vaccine in healthy adults: an open-label, non-randomised, prospective, first-in-human phase 1 clinical trial. Lancet. 2017;390(10101):1511–1520.

  5. Zhao P, Hou X, Yan J, et al. Long-term storage of lipid-like nanoparticles for mRNA delivery. Bioact Mater. 2020;5(2):358–363.

  6. Freitas C, Müller RH. Spray-drying of solid lipid nanoparticles (SLNTM). Eur J Pharm Biopharm. 1998;46(2):145–151.

  7. Gaspar DP, Serra C, Lino PR, et al. Microencapsulated SLN: an innovative strategy for pulmonary protein delivery. Int J Pharm. 2017;516(1–2):231–246.

  8. Wang T, Ma X, Lei Y, et al. Solid lipid nanoparticles coated with cross-linked polymeric double layer for oral delivery of curcumin. Colloids Surf B Biointerfaces. 2016;148:1–11.

  9. Wang T, Hu Q, Zhou M, et al. Preparation of ultra-fine powders from polysaccharide-coated solid lipid nanoparticles and nanostructured lipid carriers by innovative nano spray drying technology. Int J Pharm. 2016;511:219–222.

  10. Sithole MN, Choonara YE, du Toit LC, et al. Development of a novel polymeric nanocomposite complex for drugs with low bioavailability. AAPS PharmSciTech. 2018;19:303–314.

  11. Lokras C, Cano-Garcia A, Wadhwa G, et al. Identification of factors of importance for spray drying of small interfering RNA-loaded lipidoid-polymer hybrid nanoparticles for inhalation. Pharm Res. 2019;36:142.

  12. Patel AK, Kaczmarek JC, Bose S, et al. Inhaled nanoformulated mRNA polyplexes for protein production in lung epithelium. Adv Mater. 2019;31:e1805116.

  13. Qiu Y, Man R, Liao Q, et al. Effective mRNA pulmonary delivery by dry powder formulation of PEGylated synthetic KL4 peptide. J Control Release. 2019;314:102–115.

 

 

 

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