Revolutionierung von Lipid-Nanopartikel-Formulierungen für gezielte Behandlungen

Revolutionierung von Lipid-Nanopartikel-Formulierungen für gezielte Behandlungen

Lipid-Nanopartikel (LNPs) sind die Trägerstoffe der modernen Medizin, die Krebsmedikamente, Gentherapien und Impfstoffe in Zellen transportieren. Bis vor kurzem gingen viele Wissenschaftler davon aus, dass alle LNPs mehr oder weniger demselben Bauplan folgten, wie eine Flotte von Lastwagen, die nach dem gleichen Design gebaut wurden.

Jetzt, in NaturbiotechnologieForscher der University of Pennsylvania, des Brookhaven National Laboratory und der Waters Corporation haben die Form und Struktur von LNPs in beispielloser Detailliertheit charakterisiert und dabei herausgefunden, dass die Partikel in einer überraschend vielfältigen Konfiguration vorliegen. Diese Vielfalt ist nicht nur kosmetischer Natur: Wie die Forscher herausfanden, korreliert die innere Form und Struktur eines Partikels damit, wie gut es therapeutische Ladung an einen bestimmten Zielort transportiert.

Die Behandlung von LNPs wie bei einem Automodell hat funktioniert, wie die Millionen von Menschen beweisen, denen diese Partikel geholfen haben, aber LNPs sind keine Einheitslösung für jede RNA-Therapie. So wie sich Pickups, Lieferwagen und Lastkraftwagen am besten für unterschiedliche Fahrten eignen, können wir jetzt damit beginnen, LNP-Designs an bestimmte Therapien und Gewebe anzupassen und so diese Partikel noch wirksamer zu machen.“

Michael J. Mitchell, außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen, Penn Engineering und Co-Senior-Autor des Artikels

„Diese Ergebnisse liefern ein grundlegenderes Verständnis darüber, wie die Zusammensetzung und Form dieser therapeutischen Partikel mit ihrer Biologie zusammenhängt“, fügt Kushol Gupta, Forschungsassistentprofessor für Biochemie und Biophysik an der Perelman School of Medicine in Penn und anderer Co-Senior-Autor des Papiers hinzu. „Diese Partikel haben sich bereits in der Klinik bewährt, und diese Erkenntnisse werden sie noch leistungsfähiger machen, indem sie uns dabei helfen, die Abgabe schneller auf bestimmte Krankheiten abzustimmen.“

Die Blackbox erhellen

In den letzten Jahren hat unter anderem das Mitchell Lab herausgefunden, dass verschiedene LNP-Formulierungen unterschiedliche biologische Wirkungen haben. Das Hinzufügen von Phenolgruppen reduziert beispielsweise Entzündungen, während verzweigte ionisierbare Lipide die Abgabe verbessern.

„Es ist fast wie eine Rezeptentwicklung“, sagt Marshall Padilla, Postdoktorand im Bereich Bioingenieurwesen und Erstautor der neuen Arbeit. „Wir wissen, dass unterschiedliche Zutaten und Techniken die Ergebnisse verändern.“

Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, zu verstehen, warum bestimmte chemische Veränderungen zu bestimmten biologischen Wirkungen führen. „Diese Partikel sind so etwas wie eine ‚Black Box‘“, fügt Padilla hinzu. „Wir mussten neue Formulierungen größtenteils durch Versuch und Irrtum entwickeln.“

LNPs in den Fokus rücken

Um die Partikel sichtbar zu machen, verwendeten die Forscher mehrere Techniken. Im Gegensatz dazu stützten sich frühere Studien typischerweise auf eine einzige Methode, wie das Einfrieren der Partikel an Ort und Stelle.

Aufgrund der Größe der Partikel – um ein menschliches Haar zu umkreisen, wären Tausende von LNPs erforderlich – wurden die Partikel in früheren Arbeiten häufig auch mit fluoreszierenden Materialien markiert und Messungen gemittelt, wobei die Gefahr bestand, dass sich die Form der Partikel veränderte und Variationen verdeckt wurden.

„Wir mussten mehrere, grundsätzlich unterschiedliche Techniken kombinieren, um die Partikel in der Lösung intakt zu lassen“, sagt Gupta. „Auf diese Weise konnten wir sicher sein, dass die Übereinstimmung zwischen den Methoden uns zeigte, wie die Partikel wirklich aussahen.“

Drei Techniken, eine Studie

Die Forscher untersuchten vier „Goldstandard“-LNP-Formulierungen, darunter diejenigen, die in den COVID-19-Impfstoffen und Onpattro, einer von der FDA zugelassenen Therapie für eine seltene genetische Erkrankung, verwendet werden.

Eine Visualisierungstechnik, die analytische Ultrazentrifugation mit Sedimentationsgeschwindigkeit (SV-AUC), beinhaltete das Rotieren der LNPs bei hohen Geschwindigkeiten, um sie nach Dichte zu trennen.

Eine weitere Feldflussfraktionierung gekoppelt mit Mehrwinkel-Lichtstreuung (FFF-MALS) trennte die LNPs sanft nach Größe und maß, wie die Nukleinsäure über die verschiedenen Partikel verteilt war.

Eine dritte Größenausschlusschromatographie in Verbindung mit Synchrotron-Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SEC-SAXS) ermöglichte es den Forschern, die innere Struktur von LNPs zu untersuchen, indem sie sie mit leistungsstarken Röntgenstrahlen an der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), einer Benutzereinrichtung des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) im Brookhaven National Lab des DOE, trafen.

„Früher dachten wir, LNPs sehen aus wie Murmeln“, fasst Gupta die Ergebnisse zusammen. „Aber sie ähneln eigentlich eher Gummibärchen, unregelmäßig und abwechslungsreich, sogar innerhalb derselben Rezeptur.“

Die Kraft der Zusammenarbeit

Die Ergebnisse wären ohne die Zusammenführung von Wissenschaft, Industrie und einem nationalen Labor nicht erreichbar gewesen.

„Wir haben Methoden entwickelt, um sowohl die Größe von Lipid-Nanopartikeln als auch ihren Wirkstoffgehalt zu messen, ohne die Partikel auseinanderzubrechen“, sagt Martin Kurnik, Wyatt Technology Principal Scientist bei Waters Corporation, der die FFF-MALS-Experimente leitete.

„Die Möglichkeiten des Brookhaven National Lab ermöglichten ein einzigartiges Experiment, bei dem Röntgenstrahlen mit ultraviolettem Licht kombiniert wurden, um die geometrischen Eigenschaften der Partikel zu quantifizieren“, fügt James Byrnes, ein Beamline-Wissenschaftler am NSLS-II, der die SEC-SAXS-Experimente durchführte, hinzu. „Dies ebnet den Weg zur Charakterisierung von Partikelformulierungen im großen Maßstab und unterstreicht das spannende Potenzial für eine tiefergehende Zusammenarbeit zwischen Synchrotronanlagen und LNP-Entwicklern.“

„Dieses gesamte Projekt zeugt von der Kraft verschiedener Institutionen, die ihre Ressourcen und ihr Fachwissen bündeln“, sagt Padilla. „Wir konnten die Partikel nur deshalb so detailliert visualisieren, weil jeder Partner sie aus einem anderen Blickwinkel sah.“

Die Wirkung testen

Nachdem die Forscher die LNP-Formulierungen charakterisiert hatten, testeten sie ihre Wirkung an einer Reihe von Zielen, von menschlichen T-Zellen und Krebszellen bis hin zu Tiermodellen.

Hannah Yamagata, eine Doktorandin im Mitchell Lab, fand heraus, dass bestimmte interne Partikelstrukturen mit verbesserten Ergebnissen einhergingen, wie z. B. mehr Fracht, die abgeladen wurde oder mehr Lieferungen, die das Ziel erreichten. „Interessanterweise variierte es je nach Kontext“, sagt Yamagata.

Einige LNP-Formulierungen zeigten beispielsweise in Immunzellen eine bessere Wirkung, während andere in Tiermodellen eine größere Wirksamkeit zeigten. „Das richtige LNP-Modell hängt vom Zielort ab“, fügt Yamagata hinzu.

Die richtige Charge mischen

Den Forschern fiel außerdem auf, dass je nach der Methode, die sie zur Herstellung der LNPs verwendeten, die Eigenschaften – und die Wirksamkeit – der Partikel unterschiedlich waren.

Mikrofluidische Geräte, die Zutaten durch kleine Röhrchen drücken, führten zu gleichmäßigeren Formen und Größen, während das Mischen von Hand mit Mikropipetten zu mehr Variationen führte.

Bisher gingen Forscher davon aus, dass mikrofluidische Geräte eine bessere Leistung erbringen, doch Yamagata erkannte, dass Mikropipettieren in bestimmten Fällen bessere Ergebnisse lieferte.

„Es ist ein bisschen wie Kekse backen“, sagt sie. „Man kann die gleichen Zutaten verwenden, aber wenn man sie anders zubereitet, wird das Endprodukt eine andere Struktur haben.“

Zukünftige Richtungen

Die Ergebnisse öffnen die Tür zu einer neuen Ära des rationalen LNP-Designs, das über den heutigen Versuch-und-Irrtum-Ansatz hinausgeht.

Anstatt von einer einzigen „besten“ Formulierung auszugehen, zeigt die Studie, dass Partikelgröße, Form, innere Struktur und Zubereitungsmethode auf den therapeutischen Kontext abgestimmt sein müssen. „Es gibt kein einheitliches LNP“, sagt Yamagata. „Jedes Detail beeinflusst ihre Form und Struktur, und Form und Struktur beeinflussen ihre Funktion.“

Während einige der in den Experimenten verwendeten Werkzeuge – wie ein Teilchenbeschleuniger – schwer zugänglich sind, können viele der Schritte mit gängigerer Ausrüstung reproduziert werden. Da weitere Labore Struktur- und Funktionsdaten generieren, könnte das Feld sogar die Datensätze zusammenstellen, die zum Trainieren der KI für das LNP-Design erforderlich sind.

Letztendlich deuten die Ergebnisse auf eine Zukunft hin, in der Nanopartikel mit der gleichen Präzision hergestellt werden können wie Medikamente selbst. „Dieses Papier bietet einen Fahrplan für eine rationellere Gestaltung von LNPs“, sagt Mitchell.

Quellen: