2020年初新冠疫情爆發(fā)，12月份Pfizer/BioNTech和Moderna開發(fā)的新guan疫苗就都獲得了FDA緊急使用授quan。mRNA新guan疫苗開發(fā)速度之快，讓行業(yè)認(rèn)識到mRNA及包裹mRNA的脂質(zhì)納米顆粒（Lipid Nanoparticle，LNP）技術(shù)在疫苗和藥物開發(fā)上的可行性和優(yōu)勢。mRNA是帶有負(fù)電荷的長鏈大分子，與細(xì)胞膜靜電排斥使其很難進入細(xì)胞內(nèi)。并且mRNA分子是單鏈，極其脆弱，體內(nèi)的多種酶都能將它迅速降解，很難將其遞送至細(xì)胞內(nèi)編碼蛋白。LNP可以將mRNA包裹在核中以避免降解，其中含有的可電離的陽離子脂質(zhì)、中性輔助磷脂、膽固醇和PEG化脂質(zhì)“各有分工"（圖1），幫助mRNA實現(xiàn)有效包載和細(xì)胞遞送。微流控技術(shù)可以控制參數(shù)和脂質(zhì)組成來控制粒徑及粒徑分布，不需要額外的整粒步驟，適合mRNA或者其他有穩(wěn)定性要求的藥物納米結(jié)構(gòu)的制備。

圖1  LNP組分功能

微流控技術(shù)是一種利用微通道處理或操縱微小流體的技術(shù)，所用裝置又稱為微流控芯片，具有體積輕、反應(yīng)速度快、能耗低、樣品及試劑用量少的特點和優(yōu)點。

微流控的流體特性

雷諾系數(shù)(Reynolds number，Re)用于衡量作用于流體上的慣性力與黏性力相對大小。Re大意味著慣性力占主要地位，流體呈湍流，在一般管道Re<2000為層流狀態(tài)（圖2）。微流控中的流體Re通常遠(yuǎn)小于100，屬于典型的層流，黏性力的影響遠(yuǎn)大于慣性力，同時由于流動阻力大，液體間不易混合。對于不互溶液體，在層流狀態(tài)下擴散更難以形成，兩相界面明顯(圖3a)；而互溶液體在此層流狀態(tài)下也會形成界面，不同液體間的擴散隨著時間的延長沿橫向／縱向進行(圖3b)。隨著混合液體的特性、通道結(jié)構(gòu)尺寸等多種因素的變化，微流控管道中的流體會形成塞狀流、分層流、液滴流和環(huán)形流等多種不同的流型。由于在微流控通道內(nèi)流體通過的體積極小，借助驅(qū)動裝置可以精準(zhǔn)調(diào)控液體流量和流速。互溶液體間可通過對流體的控制和加劇混合來迅速得到大小均一、重復(fù)性好的粒子：不互溶液體間通過在混合過程中界面保留及邊界流體對中間流體的剪切得到均一的單乳／復(fù)乳液滴結(jié)構(gòu)等。

圖2  湍流和層流示意圖

圖3  不同微流體混合界面示意圖

a：不互溶流體界面；b：互溶流體界面

微流控的通道結(jié)構(gòu)

微流控通道的結(jié)構(gòu)（尺寸、通道形狀和壁面等）會對流體狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響。zui常見的通道為平直結(jié)構(gòu)(圖4a)，為增強流體的有效混合，會將通道進一步設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)。通過對通道不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計，更有利于液體在通道的彎折、起伏結(jié)構(gòu)中在較低Re情況下產(chǎn)生劇烈的渦旋攪拌作用而增強混合效果，減少混合時間。

圖4  微流體芯片的不同通道結(jié)構(gòu)示意圖

微流控的粒徑影響因素

通過調(diào)節(jié)微流控參數(shù)和脂質(zhì)組成可以控制形成的LNP粒徑。I.V. Zhigaltsev等采用圖5所示微流控結(jié)構(gòu)，保持脂相流速為0.5mL/min，水相流速從0.5mL/min升至4.5mL/min來調(diào)節(jié)水脂相流速比（flow rate ratio, FRR）為1-9，此時總流體流速（total flow rate, TFR）從1mL/min增加至5mL/min。從圖5可以看出，隨著FRR增大，混合更快且稀釋效應(yīng)更好，粒徑減小。脂質(zhì)為POPC時，最小粒徑約20nm；脂質(zhì)為POPC/Chol時，最小粒徑略有增加，為40nm。從中可以看出改變脂質(zhì)相，LNP的粒徑改變，且膽固醇可以增加LNP的最小粒徑。

此外其他研究表明微流控芯片通道尺寸、深度以及幾何形狀對制備的脂質(zhì)體大小沒有顯著影響，不同的芯片結(jié)構(gòu)、通道尺寸都可以產(chǎn)生尺寸相似的脂質(zhì)體。但通道尺寸和深度較大的芯片易于制作和操控，且制備通量更高，有利于實際應(yīng)用。

圖5  微流體結(jié)構(gòu)示意圖及實驗結(jié)果

 Ignite^TM微流控混合儀

Ignite^TM是PNI（Precision NanoSystems）的Nanoassemblr®平臺在2019年推出的微流控混合儀，適用于LNP、脂質(zhì)體、乳劑等納米結(jié)構(gòu)的制備，可以實現(xiàn)納米顆粒組分在納升水平（<20nL）以毫秒（＜3ms）混合，保證混合效果。同時PNI推出一系列適用于不同藥物開發(fā)階段的微流控混合儀（圖6），覆蓋藥物研發(fā)各階段的制備需求。Ignite單次制備時間很短（分鐘級），一天可以篩選30+種處方，非常適合用于處方的快速篩選。但是Ignite儀器昂貴，購買成本高且需要時間，這時儀器租賃就成為不錯的選擇。北京大學(xué)生命科學(xué)華東產(chǎn)業(yè)研究院聯(lián)合輔必成及艾偉拓共同打造了“微納米注射劑中試基地"不僅提供Ignite儀器租賃，還可以提供LNP制備輔料（合成磷脂和陽離子脂質(zhì)）、LNP知識培訓(xùn)、儀器使用指導(dǎo)及現(xiàn)場測試、現(xiàn)場試驗指導(dǎo)等方面的服務(wù)，歡迎各位蒞臨參觀、指導(dǎo)和業(yè)務(wù)洽談。基地地址：江蘇省啟東市世紀(jì)大道2099號。

圖6  PNI不同規(guī)模微流控混合儀及Ignite詳細(xì)介紹

圖7 微納米中試基地

注釋：學(xué)海無涯，個人學(xué)識有限，如果有錯誤之處，歡迎各位批評指正。

參考資料：

1. mRNA療法的遞送系統(tǒng)匯總

2. 微流控芯片技術(shù)在中藥研究領(lǐng)域的應(yīng)用進展研究 余逸，陳子郁，于麗麗

3. 微流控技術(shù)在納米藥物輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用 郭希穎，魏 巍 ，王堅成+，張 強

4. Microfluidic-mediated nano-drug delivery systems: from fundamentals to fabrication for advanced therapeutic applications

5. Bottom-Up Design and Synthesis of Limit Size Lipid Nanoparticle Systems with Aqueous and Triglyceride Cores Using Millisecond Microfluidic Mixing

6. FluidicLab流體實驗室-應(yīng)用微流控技術(shù)生成載藥型脂質(zhì)體