FDmiX: Rychlá a odolná sériová výroba nanopartiklů

FDmiX-M míchadlo pro výrobu nanopartiklů. © B. Bobusch/FDX Fluid Dynamix GmbH / FDmiX M míchadlo pro výrobu nanopartiklů. © B. Bobusch/FDX Fluid Dynamix GmbH

Na základě nukleové kyseliny založené léky, jako jsou mRNA vakcíny, nabízejí obrovský potenciál pro medicínu a otevírají nové terapeutické přístupy. Aby bylo možné tyto účinné látky cíleně dopravit do tělesných buněk, musí být uzavřeny v nanočásticích. S FDmiX, zkratkou pro Fraunhofer Dynamic Mixing Technologies, vyvinul Fraunhoferův ústav pro výrobní zařízení a konstrukční techniku IPK ve spolupráci s FDX Fluid Dynamix GmbH technologickou platformu pro výrobu nanočástic, která umožňuje dosáhnout dosud nedosažené kvality a stability částic. Švýcarská chemická a farmaceutická společnost Lonza Group AG nyní technologii licencovala pro svou GMP výrobu (Good Manufacturing Practice).

Nukleové kyseliny RNA a DNA se nevyskytují pouze v buňkách, mohou být také součástí léků. Obecně známé jsou od pandemie koronaviru mRNA vakcíny. Lékaři po celém světě vkládají velké naděje do účinných látek založených na nukleových kyselinách – mají potenciál léčit dosud těžko léčitelné nemoci, včetně některých typů rakoviny. Dosud však představovala bezpečná a účinná doprava těchto citlivých nukleových kyselin do buněk, kde může být jejich poselství přeloženo do proteinů, velkou výzvu. Je nutná ochranná vrstva, která ochrání citlivou účinnou látku při transportu do buněk. Výroba nanočástic probíhá pomocí fluidních míchacích procesů. Je nutná velmi úplná a rychlá směs, aby bylo možné vytvořit požadovanou kvalitu částic. Pro průmyslové měřítko existují impingementové trysky (také nazývané T-mixery nebo Y-mixery). Umožňují sice vysoký průtok, ale na úkor kvality míchání.

Lepší a rychlejší míchání

S platformou Fraunhofer Dynamic Mixing Technologies (FDmiX) se Fraunhofer IPK společně s FDX Fluid Dynamix GmbH podařilo překlenout mezeru mezi kvalitou míchání a průtokem. Platforma FDmiX umožňuje konzistentně vysokou kvalitu míchání od laboratorního použití až po sériovou výrobu. Již byla úspěšně testována při výrobě lipidových a polymerových nanočástic i nanoemulzí. Jak ukázaly četné testy, kvalita míchání této technologické platformy FDmiX je nadřazená dostupným systémům a umožňuje výrobu částic dosud nedosažitelné kvality. Při škálování přesvědčuje systém také tím, že podle potřeby lze při objemových průtocích mezi 5 ml/min a 1,5 l/min kapsulovat bez ovlivnění vlastností částic. Lonza Group AG, globální vývojový a výrobní partner pro farmaceutický, biotechnologický a nutraceutický trh, technologii patentovanou jako FDmiX již licencovala a používá ji.

„Lidské buňky se brání cizímu genetickému materiálu. Proto musí být účinné látky mRNA uzavřeny v nanočásticích. Tyto částice tak plní funkci ochranné vrstvy, a to dokud se účinná látka nedostane do buňky,“ říká Christoph Hein, vedoucí oddělení ultra- a vysokorychlostní techniky na Fraunhofer IPK v Berlíně. Aby bylo možné nanočástice vyrábět, je třeba smíchat účinnou látku rozpuštěnou v pufru s jiným roztokem, například lipidem. Jakmile jsou obě kapaliny smíchány, vznikají lipidové nanočástice, které účinnou látku obalí lipidem. „S platformou FDmiX dosahujeme výrazně menších a homogennějších částic, jejichž velikost lze dokonce nastavit. S FDmiX dosahujeme směsí s dosud nedosaženou homogenitou při minimálních časech míchání. To je důležité, protože kvalita míchání neovlivňuje pouze kvalitu nanočástic, ale nakonec i jejich účinnost.“

Homogenně smíchané nanočástice díky chytré konstrukci trysek

Jak se však daří kombinovat současně vysokou, stabilní kvalitu míchání a průtok? Srdcem platformy FDmiX je oscilující tryska FDX Fluid Dynamix GmbH. Uvnitř trysky se proud tekutiny přitiskne na jednu ze stran hlavní komory. Před opuštěním trysky je malá část proudu odkloněna do bočního kanálu. Na konci bočního kanálu se znovu setkává s hlavním proudem a tlačí ho na druhou stranu. Tím se hlavní proud neustále kývá z jedné strany na druhou, což vytváří vysokofrekvenční kmitání. Tímto způsobem oscilující proud lipidem obalované roztoku protíná kolmým směrem proud mRNA účinné látky a vytváří homogenní směs s jednotnou velikostí nanočástic. U běžných impingementových mixérů se lipidem obalovaný roztok a mRNA účinná látka srážejí a protékají společným kanálem. Vzniká tak dynamické vířivé pole, které vede k tvorbě nerovnoměrných částic s nižší kvalitou. „V kapsulačních pokusech s mRNA v lipidových nanočásticích s různými míchadly a průtoky FDmiX ve srovnání s T-mixrem při stejném průtoku vytvořil menší částice s výrazně menším rozptylem,“ uvádí vědec. V testech mohli výzkumní partneři vyrobit nanočástice, které byly přibližně o 10 až 20 procent menší než ty vyrobené pomocí T-mixeru. Navíc měly výrazně menší rozptyl, vysokou účinnost kapsulace a integritu částic.

V klinické fázi a následné výrobě je potřeba velké množství nanočástic. I zde může technologie Fraunhofer IPK a FDX Fluid Dynamix GmbH přesvědčit: obě výzkumné skupiny vyvinuly a otestovaly míchadla pro různé průtoky a tlaky. Nejmenší míchadla (FDmiX XS) mohou pracovat s průtoky pod 5 mililitrů za minutu – ta největší (FDmiX XL) s více než 1,5 litru za minutu.

Široké spektrum použití nanočástic FDmiX

Spektrum použití nanočástic vyrobených tímto způsobem je široké a přesahuje jen kapsulaci mRNA a stabilizaci vakcín. Například lze technologii využít i v kardiologii, například pro povrchovou úpravu srdečních katétrů. Při rozšiřování balónkových katétrů během vyšetření se nanočástice ukládají do stěny tepen a zabraňují tvorbě nových usazenin na cévách. Tím lze předejít stenóze, tedy zúžení cév. Navíc se nanočástice používají při boji proti nádorům a mohou být také užitečné při léčbě neurodegenerativních onemocnění, jako je Alzheimerova choroba a demence.