Summary

Testing av in vitro og in vivo effektivitet av mRNA-lipid nanopartikler formulert ved mikrofluidisk blanding

Published: January 20, 2023
doi:

Summary

Her presenteres en protokoll for formulering av lipid nanopartikler (LNP) som innkapsler mRNA som koder for firefly luciferase. Disse LNP-ene ble testet for deres styrke in vitro i HepG2-celler og in vivo i C57BL/6-mus.

Abstract

Lipid nanopartikler (LNP) har tiltrukket seg stor oppmerksomhet nylig med den vellykkede utviklingen av COVID-19 mRNA-vaksinene av Moderna og Pfizer / BioNTech. Disse vaksinene har demonstrert effekten av mRNA-LNP-terapeutika og åpnet døren for fremtidige kliniske applikasjoner. I mRNA-LNP-systemer fungerer LNP-ene som leveringsplattformer som beskytter mRNA-lasten mot nedbrytning av nukleaser og medierer deres intracellulære levering. LNPene består vanligvis av fire komponenter: et ioniserbart lipid, et fosfolipid, kolesterol og et lipidforankret polyetylenglykol (PEG) konjugat (lipid-PEG). Her formuleres LNP-er som innkapsler mRNA-kodende for firefly luciferase ved mikrofluidisk blanding av den organiske fasen som inneholder LNP-lipidkomponenter og den vandige fasen som inneholder mRNA. Disse mRNA-LNP-ene testes deretter in vitro for å evaluere deres transfeksjonseffektivitet i HepG2-celler ved hjelp av en bioluminescerende platebasert analyse. I tillegg evalueres mRNA-LNP in vivo hos C57BL/6-mus etter en intravenøs injeksjon via den laterale halevenen. Helkroppsbioluminescensavbildning utføres ved bruk av et in vivo bildesystem. Representative resultater er vist for mRNA-LNP-egenskapene, deres transfeksjonseffektivitet i HepG2-celler og den totale luminescerende fluksen i C57BL/6-mus.

Introduction

Lipid nanopartikler (LNP) har vist stort løfte de siste årene innen ikke-viral genterapi. I 2018 godkjente USAs Food and Drug Administration (FDA) den aller første RNA-interferens (RNAi) terapeutisk, Onpattro by Alnylam, for behandling av arvelig transtyretinamyloidose 1,2,3,4. Dette var et viktig skritt fremover for lipid nanopartikler og RNA-baserte terapier. Nylig mottok Moderna og Pfizer/BioNTech FDA-godkjenninger for sine mRNA-LNP-vaksiner mot SARS-CoV-2 4,5. I hver av disse LNP-baserte nukleinsyreterapiene tjener LNP til å beskytte lasten mot nedbrytning av nukleaser og legge til rette for potent intracellulær levering 6,7. Mens LNP har sett suksess i RNAi-terapier og vaksineapplikasjoner, har mRNA-LNP også blitt utforsket for bruk i proteinutskiftningsterapier8, samt for samlevering av Cas9 mRNA og veiledende RNA for levering av CRISPR-Cas9-systemet for genredigering9. Det finnes imidlertid ingen spesifikk formulering som er velegnet for alle anvendelser, og subtile endringer i LNP-formuleringsparametrene kan i stor grad påvirke potens og biodistribusjon in vivo 8,10,11. Dermed må individuelle mRNA-LNP utvikles og evalueres for å bestemme den optimale formuleringen for hver LNP-basert terapi.

LNP er vanligvis formulert med fire lipidkomponenter: et ioniserbart lipid, et fosfolipid, kolesterol og et lipidforankret polyetylenglykol (PEG) konjugat (lipid-PEG)11,12,13. Den potente intracellulære leveransen tilrettelagt av LNP er delvis avhengig av den ioniserbare lipidkomponenten12. Denne komponenten er nøytral ved fysiologisk pH, men blir positivt ladet i det sure miljøet til endosomet11. Denne endringen i ionisk ladning antas å være en viktig bidragsyter til endosomal flukt12,14,15. I tillegg til det ioniserbare lipidet forbedrer fosfolipidkomponenten (hjelperlipid) innkapslingen av lasten og hjelpemidler i endosomal flukt, kolesterolet gir stabilitet og forbedrer membranfusjon, og lipid-PEG minimerer LNP-aggregering og opsonisering i omløp10,11,14,16. For å formulere LNP kombineres disse lipidkomponentene i en organisk fase, typisk etanol, og blandes med en vandig fase som inneholder nukleinsyrelasten. LNP-formuleringsprosessen er svært allsidig ved at den gjør det mulig for forskjellige komponenter å enkelt substitueres og kombineres ved forskjellige molforhold for å formulere mange LNP-formuleringer med en rekke fysisk-kjemiske egenskaper10,17. Men når du utforsker dette store utvalget av LNP-er, er det avgjørende at hver formulering evalueres ved hjelp av en standardisert prosedyre for nøyaktig å måle forskjellene i karakterisering og ytelse.

Her er den komplette arbeidsflyten for formulering av mRNA-LNP og vurdering av deres ytelse i celler og dyr skissert.

Protocol

MERK: Oppretthold alltid RNase-frie forhold når du formulerer mRNA-LNP ved å tørke overflatene og utstyret med en overflatedekontaminant for RNaser og DNA. Bruk bare RNase-frie tips og reagenser. Alle dyreprosedyrene ble utført i samsvar med retningslinjene for omsorg og bruk av forsøksdyr ved University of Pennsylvania og en protokoll godkjent av Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) ved University of Pennsylvania. 1. Forberedelse før form…

Representative Results

mRNA-LNP ble formulert ved hjelp av et mikrofluidisk instrument som hadde en gjennomsnittlig hydrodynamisk diameter på 76,16 nm og en polydispersitetsindeks på 0,098. p Ka av mRNA-LNPene ble funnet å være 5,75 ved å utføre en TNS-analyse18. Innkapslingseffektiviteten for disse mRNA-LNPene ble beregnet til å være 92,3% ved å bruke den modifiserte fluorescensanalysen og ligningen 4,4. Den totale RNA-konsentrasjonen som ble brukt til cellebehandling og dy…

Discussion

Med denne arbeidsflyten kan en rekke mRNA-LNP-er formuleres og testes for in vitro og in vivo-effektivitet. Ioniserbare lipider og hjelpestoffer kan byttes ut og kombineres ved forskjellige molare forhold og forskjellige ioniserbare lipid til mRNA-vektforhold for å produsere mRNA-LNP med forskjellige fysisk-kjemiske egenskaper22. Her formulerte vi C12-200 mRNA-LNP med et molforhold på 35/16/46.5/2.5 (ioniserbart lipid: hjelper lipid: kolesterol: lipid-PEG) ved et 10: 1 ioniserb…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

MJM anerkjenner støtte fra en US National Institutes of Health (NIH) direktørens New Innovator Award (DP2 TR002776), en Burroughs Wellcome Fund Career Award ved Scientific Interface (CASI), en US National Science Foundation CAREER-pris (CBET-2145491), og tilleggsfinansiering fra National Institutes of Health (NCI R01 CA241661, NCI R37 CA244911 og NIDDK R01 DK123049).

Materials

0.1 M Hydrochloric Acid Sigma 7647-01-0
0.22 μm Syringe Filters Genesee 25-243
1 mL BD Slip Tip Syringe BD 309659
1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000] (ammonium salt) (C14-PEG2000) Avanti Polar Lipids 880150P
1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE) Avanti Polar Lipids 850725P
1.5 mL Eppendorf Tubes Fisher Scientific 05-408-129
15 mL Conical Tubes Fisher Scientific 14-959-70C
200 proof Ethanol Decon Labs 2716
23G Needles Fisher Scientific 14-826-6C
3 mL BD Disposable Syringes with Luer-Lok tips Fisher Scientific 14-823-435
3 mL Dialysis Cassettes Thermo Scientific A52976
96 Well Black Wall Black Bottom Plate Fisher Scientific 07-000-135
96 Well White/Clear Bottom Plate, TC Surface Thermo Scientific 165306
Ammonium Acetate, 1 Kilogram Research Products International  631-61-8
Ammonium Citrate dibasic SIgma 3012-65-5
BD Luer-Lok Syringe sterile, single use, 5 mL BD 309646
C12-200 Ionizable Lipid Cayman Chemical 36699
C57BL/6 Mice Jackson Laboratory 000664
Cholesterol Sigma 57-88-5
CleanCap FLuc mRNA (5moU) TriLink Biotechnologies L-7202
Disposable cuvettes Fisher Scientific 14955129
D-Luciferin, Potassium Salt Thermo Scientific L2916
DMEM, high glucose Thermofisher Scientific 11965-084
Exel Insulin Syringes – 0.5 mL Fisher Scientific 1484132
Fetal Bovine Serum Corning 35-010-CV
Hep G2 [HEPG2] ATCC HB-8065
HyPure Molecular Biology Grade Water Cytiva SH30538.03
Infinite 200 PRO Plate Reader Tecan N/A
IVIS Spectrum In Vivo Imaging System Perkin Elmer N/A
Large Kimwipes Fisher Scientific 06-666-11D
Luciferase Assay Kit Promega E4550
NanoAssemblr Ignite Cartridges – Classic – 100 Pack Precision Nanosystems NIN0065
NanoAssemblr Ignite Instrument Precision Nanosystems NIN0001
PBS – Phosphate-Buffered Saline (10x) pH 7.4, RNase-free Thermo Scientific AM9624
Penicillin-Streptomycin Thermofisher Scientific 15140122
QB Citrate Buffer, (Citrate 100 mM) pH 3.0 Teknova Q2442
Quant-it RiboGreen RNA Assay Kit Thermo Scientific R11490
Reporter Lysis 5x Buffer Promega E3971
RNase Away Surface Decontaminant Thermofisher Scientific 7000TS1
Sodium Chloride Sigma 7647-14-5
Sodium Hydroxide Sigma 1310-73-2
Sodium Phosphate Sigma 7601-54-9
TNS reagent (6-(p-Toluidino)-2-naphthalenesulfonic acid sodium salt) Sigma T9792
Triton X-100 Sigma 9036-19-5
Zetasizer Malvern Panalytical NanoZS

References

  1. Cheng, Q., et al. Selective organ targeting (SORT) nanoparticles for tissue-specific mRNA delivery and CRISPR-Cas gene editing. Nature Nanotechnology. 15 (4), 313-320 (2020).
  2. Wood, H. FDA approves patisiran to treat hereditary transthyretin amyloidosis. Nature Reviews Neurology. 14 (9), 509 (2018).
  3. Zhang, X., Goel, V., Robbie, G. J. Pharmacokinetics of patisiran, the first approved RNA interference therapy in patients With hereditary transthyretin-mediated amyloidosis. Journal of Clinical Pharmacology. 60 (5), 573-585 (2019).
  4. Shepherd, S. J., et al. Scalable mRNA and siRNA lipid nanoparticle production using a parallelized microfluidic device. Nano Letters. 21 (13), 5671-5680 (2021).
  5. Barbier, A. J., Jiang, A. Y., Zhang, P., Wooster, R., Anderson, D. G. The clinical progress of mRNA vaccines and immunotherapies. Nature Biotechnology. 40 (6), 840-854 (2022).
  6. Mukalel, A. J., Riley, R. S., Zhang, R., Mitchell, M. J. Nanoparticles for nucleic acid delivery: Applications in cancer immunotherapy. Cancer Letters. 458, 102-112 (2019).
  7. Akhtar, S. Oral delivery of siRNA and antisense oligonucleotides. Journal of Drug Targeting. 17 (7), 491-495 (2009).
  8. Guimaraes, P. P. G., et al. Ionizable lipid nanoparticles encapsulating barcoded mRNA for accelerated in vivo delivery screening. Journal of Controlled Release. 316, 404-417 (2019).
  9. Qiu, M., et al. Lipid nanoparticle-mediated codelivery of Cas9 mRNA and single-guide RNA achieves liver-specific in vivo genome editing of Angptl3. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 118 (10), 2020401118 (2021).
  10. Zhang, R., et al. Helper lipid structure influences protein adsorption and delivery of lipid nanoparticles to spleen and liver. Biomaterials Science. 9 (4), 1449-1463 (2021).
  11. El-Mayta, R., et al. A nanoparticle platform for accelerated in vivo oral delivery screening of nucleic acids. Advanced Therapeutics. 4 (1), 2000111 (2021).
  12. Patel, S., et al. Naturally-occurring cholesterol analogues in lipid nanoparticles induce polymorphic shape and enhance intracellular delivery of mRNA. Nature Communications. 11, 983 (2020).
  13. Kulkarni, J. A., et al. Design of lipid nanoparticles for in vitro and in vivo delivery of plasmid DNA. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine. 13 (4), 1377-1387 (2017).
  14. Cheng, X., Lee, R. J. The role of helper lipids in lipid nanoparticles (LNPs) designed for oligonucleotide delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 99, 129-137 (2016).
  15. Varkouhi, A. K., Scholte, M., Storm, G., Haisma, H. J. Endosomal escape pathways for delivery of biologicals. Journal of Controlled Release. 151 (3), 220-228 (2011).
  16. Granot, Y., Peer, D. Delivering the right message: Challenges and opportunities in lipid nanoparticles-mediated modified mRNA therapeutics-An innate immune system standpoint. Seminars in Immunology. 34, 68-77 (2017).
  17. Gan, Z., et al. Nanoparticles containing constrained phospholipids deliver mRNA to liver immune cells in vivo without targeting ligands. Bioengineering and Translational Medicine. 5 (3), 10161 (2020).
  18. Patel, S. K., et al. Hydroxycholesterol substitution in ionizable lipid nanoparticles for mRNA delivery to T cells. Journal of Controlled Release. 347, 521-532 (2022).
  19. Robinson, E., et al. Lipid nanoparticle-delivered chemically modified mRNA restores chloride secretion in cystic fibrosis. Molecular Therapy. 26 (8), 2034-2046 (2018).
  20. Love, K. T., et al. Lipid-like materials for low-dose, in vivo gene silencing. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (5), 1864-1869 (2010).
  21. Kauffman, K. J., et al. Optimization of lipid nanoparticle formulations for mRNA delivery in vivo with fractional factorial and definitive screening designs. Nano Letters. 15 (11), 7300-7306 (2015).
  22. Billingsley, M. M., et al. Ionizable lipid nanoparticle-mediated mRNA delivery for human CAR T cell engineering. Nano Letters. 20 (3), 1578-1589 (2020).
  23. Ramaswamy, S., et al. Systemic delivery of factor IX messenger RNA for protein replacement therapy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (10), 1941-1950 (2017).
  24. Leung, A. K. K., et al. Lipid nanoparticles containing siRNA synthesized by microfluidic mixing exhibit an electron-dense nanostructured core. Journal of Physical Chemistry C. 116 (34), 18440-18450 (2012).
  25. Billingsley, M. M., et al. Orthogonal design of experiments for optimization of lipid nanoparticles for mRNA engineering of CAR T cells. Nano Letters. 22 (1), 533-542 (2022).
  26. Khalil, A. A., et al. Subcutaneous administration of D-luciferin is an effective alternative to intraperitoneal injection in bioluminescence imaging of xenograft tumors in nude mice. ISRN Molecular Imaging. 2013, 689279 (2013).
  27. Qin, J., et al. RGD peptide-based lipids for targeted mRNA delivery and gene editing applications. RSC Advances. 12 (39), 25397-25404 (2022).
  28. Pardi, N., et al. Expression kinetics of nucleoside-modified mRNA delivered in lipid nanoparticles to mice by various routes. Journal of Controlled Release. 217, 345-351 (2015).
  29. Finn, J. D., et al. A single administration of CRISPR/Cas9 lipid nanoparticles achieves robust and persistent in vivo genome editing. Cell Reports. 22 (9), 2227-2235 (2018).
  30. Truong, B., et al. Lipid nanoparticle-targeted mRNA therapy as a treatment for the inherited metabolic liver disorder arginase deficiency. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (42), 21150-21159 (2019).
  31. Cheng, Q., et al. Dendrimer-based lipid nanoparticles deliver therapeutic FAH mRNA to normalize liver function and extend survival in a mouse model of hepatorenal tyrosinemia type I. Advanced Materials. 30 (52), 1805308 (2018).
  32. Sedic, M., et al. Safety evaluation of lipid nanoparticle-formulated modified mRNA in the Sprague-Dawley rat and cynomolgus monkey. Veterinary Pathology. 55 (2), 341-354 (2018).
  33. Veiga, N., et al. Cell specific delivery of modified mRNA expressing therapeutic proteins to leukocytes. Nature Communications. 9 (1), 4493 (2018).
  34. Pattipeiluhu, R., et al. Anionic lipid nanoparticles preferentially deliver mRNA to the hepatic reticuloendothelial system. Advanced Materials. 34 (16), 2201095 (2022).
  35. Rosenblum, D., et al. CRISPR-Cas9 genome editing using targeted lipid nanoparticles for cancer therapy. Science Advances. 6 (47), (2020).
  36. Fenton, O. S., et al. Bioinspired alkenyl amino alcohol ionizable lipid materials for highly potent in vivo mRNA delivery. Advanced Materials. 28 (15), 2939-2943 (2016).
  37. Kauffman, K. J., et al. Optimization of lipid nanoparticle formulations for mRNA delivery in vivo with fractional factorial and definitive screening designs. Nano Letters. 15 (11), 7300-7306 (2015).
  38. Tombácz, I., et al. Highly efficient CD4+ T cell targeting and genetic recombination using engineered CD4+ cell-homing mRNA-LNPs. Molecular Therapy. 29 (11), 3293-3304 (2021).
  39. Kim, J., et al. Engineering lipid nanoparticles for enhanced intracellular delivery of mRNA through inhalation. Nano. 9 (9), 14792-14806 (2022).
  40. Bevers, S., et al. mRNA-LNP vaccines tuned for systemic immunization induce strong antitumor immunity by engaging splenic immune cells. Molecular Therapy. 30 (9), 3078-3094 (2022).
check_url/kr/64810?article_type=t

Play Video

Cite This Article
El-Mayta, R., Padilla, M. S., Billingsley, M. M., Han, X., Mitchell, M. J. Testing the In Vitro and In Vivo Efficiency of mRNA-Lipid Nanoparticles Formulated by Microfluidic Mixing. J. Vis. Exp. (191), e64810, doi:10.3791/64810 (2023).

View Video