Sunscreen 筛 LNP:32 种配方三重复,5.5 小时跑完

Sunscreen 筛 LNP:32 种配方三重复,5.5 小时跑完

在一块 96 孔板上,Sunscreen 用 5.5 小时跑完 32 种 cLNP 配方的三次重复,全程无需操作者干预。LNP 的设计空间很大:阳离子脂质、结构脂质、胆固醇、PEG 脂质的种类和比例,加上混合流速(TFR)和流速比(FRR),排列组合可达上百甚至上千个条件。靠移液器混合时,混合过程不可控,过程本身的随机波动会混进配方之间的差异。Sunscreen 把自动化高通量和微流控精度放在同一套系统里,微流控芯片(Sunny)用超光滑惰性玻璃制成,内置自动清洗,可以反复使用。同一配方重复 90 次,粒径 RSD 0.76%;TFR 从 5 升到 12 mL/min,粒径从 137.9 nm 降到 69.5 nm。

LNP 配方影响体内生物分布:不同的辅助脂质(如 DOPE vs DSPC)改变颗粒表面性质,导致不同的 LDLR 摄取和器官靶向。

Sunscreen:全自动微流控 LNP 配制平台。机械臂从 96 孔板吸取试剂,精密注射泵驱动混合,内置清洗消除交叉污染。

实验条件(通用)

脂质:DOTAP、DDAB、DSPC、DOPE、DSPE-PEG2000、DMG-PEG2000、胆固醇(Avanti Polar Lipids / Sigma-Aldrich),乙醇溶液,总浓度 6 mg/mL。

核酸:PolyA(Cytiva),50 mM 柠檬酸缓冲液 pH 6.00,N/P = 8。

默认混合参数:TFR 9 mL/min,FRR 3:1(水相:有机相),驱动液为 50 mM 柠檬酸缓冲液 pH 6.00(水相)和乙醇(有机相)。

样品收集:总体积 1000 µL,头尾切 100 µL,收集 800 µL。

DLS:10 倍稀释于 1× PBS,三次重复。误差棒 = SD。

EE%:Invitrogen Quant-it RiboGreen,完整 + 1% Triton X 裂解,FLUOstar Omega 荧光酶标仪。

LNP 的设计空间:为什么需要跑这么多条件

LNP 是核酸药物临床递送的主流载体:Spikevax 从拿到 COVID-19 序列到进入临床只用了 41 天,目前已有超过 18 个 LNP 产品在临床试验中。但 LNP 的配方设计并不简单:每个配方要选阳离子/可电离脂质(结合核酸)、结构脂质、胆固醇衍生物和 PEG 脂质,再定每种成分的摩尔比。混合步骤也会影响结果,TFR(总流速)、FRR(流速比)和流动类型(层流 vs 湍流)都会改变粒径、结构和包封效率,最终影响体内的生物分布和药效。

本研究在 Sunscreen 上用了两种 Sunny 芯片:Sunny 490 Trident T 做流体动力学聚焦(HFF),用水相从两侧挤压中心的乙醇/脂质流,层流条件下精细调控粒径;Sunny 50 Micromixer 做类湍流混合,混合时间更短,在低流速下也能做出小颗粒。两种 Sunny 都兼容 Sunscreen(筛选)和 Sunshine(放大)。

Sunscreen 按 96 孔板格式运行。机械臂从输入孔板吸取试剂(最少 105 µL/孔),暂存在样品环路中。精密注射泵推送驱动液,建立稳定流场。随后样品从环路释放,进入主流路。校准好的管路和阀门时序让两路试剂同步到达 Sunny 芯片混合。混合后的颗粒在末端的样品环路中暂存,再分配到收集板中。

每个样品可以自定义 head/tail cut(去掉头尾不稳定部分),收集量从 200 µL 到 2 mL 可调。TFR 支持 100 µL/min 到 30 mL/min,FRR 从 1:1 到 5:1。Anti-Dispersion Technology(ADT)保护样品包在驱动液中不被稀释。每个实验之间所有流路和针头自动清洗,消除交叉污染。

90 次重复同一配方,RSD 不到 1%

先验证 Sunscreen 本身的重现性。一块 96 孔板上跑了 90 次相同配方(DOTAP:DSPC:Chol:DMG-PEG2000 = 40:10:37.5:2.5 摩尔比)+ 6 个故意不加 PEG 的"差配方"(用来验证灾难性聚集后系统能否恢复正常)。

96 个实验的 Z-Average(柱状图)和 PDI(蓝点)。90 个正常配方高度一致,6 个无 PEG 配方(标注处)出现聚集和高 PDI,但后续样品不受影响,无交叉污染。

指标:结果

Z-Average:94.59 ± 0.71 nm

PDI:0.142 ± 0.01

RSD(Z-Average):0.76%

全板耗时:5 小时 30 分钟

不加 PEG 的样品高度聚集和多分散,但紧接着的正常配方样品完全不受影响:Sunscreen 的自动清洗已消除交叉污染。

32 种 cLNP 配方三重复,在一块板上完成

固定流速和核酸条件,只变配方组成。变量:阳离子脂质(DOTAP vs DDAB)× 结构脂质(DSPC vs DOPE)× PEG 脂质(DSPE-PEG2000 vs DMG-PEG2000)× PEG 摩尔百分比(0.5%、2.5%、5%、10%)= 32 种配方,每种三次重复。一块 96 孔板,5.5 小时跑完,全程不需要人工干预。

32 种 cLNP 配方的 Z-Average(柱状图)和 PDI(点),按脂质组成分组。n=3,误差棒 = SD。5.5 小时跑完这一整张图的数据。

最明显的规律是 PEG 脂质比例越高,粒径越小。细看还能发现 DSPE-PEG2000 对粒径的影响比 DMG-PEG2000 更大,而且 DMG-PEG2000 对 DDAB 体系的粒径调控能力比对 DOTAP 体系弱。

A. DMG-PEG2000 mol% vs Z-Average:DOTAP 体系响应明显,DDAB 体系响应弱。B. DSPE-PEG2000 mol% vs Z-Average:所有组合的粒径响应都很大。

A. 结构脂质对 PDI 的影响(排除 0.5% PEG 的不稳定配方):DOPE 体系的 PDI 普遍高于 DSPC。B. EE%:DDAB/DSPE-PEG2000 组合的包封效率偏低。Student's T-Test 标注显著性。

0.5% PEG 的配方虽然 PDI 低,但 SD 大(不可预测),排除后可以看到结构脂质的影响:DOPE 的 PDI 普遍高于 DSPC。包封效率方面,DDAB + DSPE-PEG2000 的组合 EE% 偏低。

流速越快粒径越小,每个档位之间差异都显著

固定配方(DOTAP:DSPC:Chol:DMG-PEG2000 = 40:10:37.5:2.5),只变 TFR:5、7、9、12 mL/min。流速越高,乙醇相的聚焦越紧、混合越快,粒径越小。每两个相邻流速之间的粒径差异都有统计学显著性(two-tailed Student's T-Test, p < 0.05,* p < 0.01)。

TFR 对 DOTAP cLNP 粒径和 PDI 的影响。误差棒 = SD(n=3)。 p < 0.05, p < 0.01(two-tailed Student's T-Test)。粒径从 5 mL/min 的 137.9 nm 降到 12 mL/min 的 69.5 nm。*

TFR (mL/min) / Z-Average (nm) / PDI

5:Z-Average (nm) 137.9 ± 1.11;PDI 0.11 ± 0.01

7:Z-Average (nm) 110.6 ± 1.96;PDI 0.13 ± 0.00

9:Z-Average (nm) 88.24 ± 0.52;PDI 0.13 ± 0.00

12:Z-Average (nm) 69.48 ± 0.38;PDI 0.14 ± 0.00

n=3,SD。PDI 在 0.11–0.14 范围内基本不受 TFR 影响。

板上看到的差异,就是配方之间的差异

重现性验证中粒径 RSD 不到 1%,聚集样品之后的正常样品也不受影响,所以板上看到的差异就是配方之间的差异。这让一次筛选就能给出可信的排序,不必为排除设备波动再补做重复板。筛出的配方可以用同型号的 Sunny 芯片转到 Sunshine 上放大;粒径和 PDI 也可以交给 Stunner 测,它同样按 96 孔格式进样。