Why Mixing Matters!
Willkommen zurück bei LNPs Made Easy!
Im ersten Teil dieser Blogreihe haben wir uns angesehen, was Lipidnanopartikel (LNPs) eigentlich sind, warum sie während der COVID-19-Pandemie zum entscheidenden Baustein moderner mRNA-Impfstoffe wurden und welche Aufgabe jede ihrer vier Lipidkomponenten beim Schutz und Transport der empfindlichen genetischen Fracht übernimmt. Dabei haben wir LNPs mit sorgfältig verpackten Paketen verglichen, bei denen jede Schicht eine bestimmte Funktion erfüllt, damit der Inhalt sicher an seinem Ziel ankommt.
Doch die richtigen Verpackungsmaterialien allein sind lange nicht genug.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Struktur eines Lipidnanopartikels (LNP). Die therapeutische Fracht (z. B. mRNA) ist im Inneren des Partikels verkapselt und wird von einer Lipidmatrix umgeben. Quelle: KNAUER
(K)eine Lösung für Alle
Auf den ersten Blick sehen alle Lipidnanopartikel ähnlich aus. Doch den perfekten LNP gibt es nicht. Wie ein Lipidnanopartikel gestaltet sein muss, hängt vollständig von seinem späteren Einsatzgebiet ab. Bei LNPs ist Größe weit mehr als nur eine Zahl , denn sie bestimmt maßgeblich, wohin die Nanopartikel gelangen, wie sie sich im Körper verhalten und wie erfolgreich sie ihre genetische Fracht abliefern.
LNPs, die beispielsweise Wirkstoffe gezielt in die Leber transportieren sollen, werden in der Regel auf eine Größe von etwa 80 bis 100 nm ausgelegt. Dadurch können sie die natürlichen Poren (Fenestrierungen) der Leber passieren und ihr Zielgewebe effizient erreichen. Für den Transport ins Gehirn hingegen sind häufig noch kleinere Nanopartikel von Vorteil. Größere Partikel werden dagegen schneller von den natürlichen Filtersystemen des Körpers erkannt und aus dem Blutkreislauf entfernt. Die Partikelgröße ist kein Detail, sondern eine der entscheidenden Stellschrauben für die Funktion eines LNPs.
Abbildung 2: Überblick über die wichtigsten kritischen Qualitätsattribute , die die Qualität, Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Lipidnanopartikeln bestimmen. Quelle: Eigene Darstellung, erstellt mit KI-Unterstützung
Doch die Größe allein entscheidet nicht über den Erfolg eines LNPs. Ebenso wichtig sind Eigenschaften wie die Partikelgrößenverteilung, die Verkapselungseffizienz, die Morphologie, die Oberflächenladung und die Stabilität. Sie bestimmen gemeinsam, wohin Lipidnanopartikel gelangen, wie effizient sie in Zellen eindringen und wie gut sie ihre therapeutische Wirkung entfalten. Diese messbaren Eigenschaften werden als Critical Quality Attributes (CQAs) bzw. kritische Qualitätsmerkmale bezeichnet.
Doch selbst die beste Lipidzusammensetzung garantiert noch keinen optimalen LNP. Ebenso entscheidend ist, wie Lipide und therapeutische Fracht während der Herstellung miteinander vermischt werden. Denn dieser Prozess legt fest, welche Eigenschaften der fertige Lipidnanopartikel erhält – und damit auch, wie gut er sich für unterschiedliche medizinische Anwendungen eignet.
Backe, Backe LNPs..
Die Herstellung von Lipidnanopartikeln lässt sich gut mit dem Backen eines Kuchens vergleichen. Zwei Personen können dieselben Zutaten verwenden, sich exakt an dasselbe Rezept halten und den gleichen Backofen nutzen. Trotzdem wird der eine Kuchen locker, luftig und perfekt aufgehen, während der andere dicht, ungleichmäßig oder sogar in sich zusammenfällt. Die Zutaten haben sich nicht verändert, aber entscheidend ist, wie sie zusammenkommen. Bei Lipidnanopartikeln ist es ganz ähnlich. Je nach Herstellungsprozess können sich LNPs mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften bilden. Wie Lipide und therapeutische Fracht vermischt werden und sich innerhalb von Millisekunden vermischen, entscheidet maßgeblich über Größe, Struktur und Qualität der entstehenden LNPs.
Wissenschaftler können dieselben Lipide, dieselbe mRNA und dieselbe Formulierung verwenden und dennoch Lipidnanopartikel erhalten, die sich völlig unterschiedlich verhalten. Manche transportieren ihre genetische Fracht effizient in die Zielzellen, während andere die mRNA nicht ausreichend schützen, weniger stabil sind oder ihre Aufgabe schlicht nicht erfüllen.
Woran liegt das also?
Die Antwort liegt in den allerersten Millisekunden der Nanopartikelbildung. Nämlich im Moment, in dem ein Lipidnanopartikel das Licht der Welt erblickt.
Im Gegensatz zu vielen anderen Produkten werden Lipidnanopartikel nicht Baustein für Baustein zusammengesetzt. Stattdessen entstehen sie ganz von selbst durch einen Prozess, der als Selbstassemblierung bezeichnet wird.
Am Anfang stehen zwei getrennte Lösungen: Die eine enthält die Lipide, gelöst in Ethanol, die andere die mRNA, gelöst in einem sauren wässrigen Puffer. Für sich genommen enthält keine der beiden Lösungen Lipidnanopartikel.
Alles verändert sich in dem Moment, in dem beide Flüssigkeitsströme in einer Mischkammer aufeinandertreffen. Rasch diffundiert das Ethanol in die wässrige Phase. Dadurch werden die Lipide unlöslich, lagern sich spontan zusammen und schließen die mRNA in ihrem Inneren ein. So entsteht aus zwei klaren Lösungen ein funktionsfähiger Lipidnanopartikel.
Abbildung 3: Sechsstufiger Prozess der Bildung von Lipidnanopartikeln nach der schnellen Vermischung einer Lipidlösung mit einer wässrigen API-Lösung. Quelle: Eigene Darstellung, erstellt mit Unterstützung generativer KI
Sobald sich beide Flüssigkeiten vermischen, verändert sich ihre Umgebung schlagartig. Die einzelnen Lipidmoleküle beginnen sich neu zu ordnen und bilden die ersten Keime für einen Lipidnanopartikel. Dieser Schritt wird als Nukleation bezeichnet und markiert den Beginn der Nanopartikelbildung. Innerhalb weniger Millisekunden wachsen diese Keime weiter, ordnen sich immer wieder neu an und reifen schließlich durch Selbstassemblierung zu stabilen Lipidnanopartikeln heran.
LNPs lassen sich gut mit dem Pusten von Seifenblasen vergleichen. Niemand ordnet die Seifenmoleküle einzeln an. Stattdessen organisieren sie sich von selbst zu einer stabilen Hülle, weil diese Anordnung energetisch am günstigsten ist.
Figure 4: Schematic illustration of lipid nanoparticle self-assembly following the rapid mixing of a lipid solution with an aqueous mRNA-containing phase. Source: Image created with AI assistance
Abbildung 4: Selbstassemblierung von Lipidnanopartikeln. Ähnlich wie bei der Bildung einer Seifenblase ordnen sich die Lipide nach der schnellen Vermischung spontan zu einer stabilen Nanostruktur an und schließen die mRNA ein. Quelle: Eigene Darstellung, erstellt mit Unterstützung generativer KI
Ganz ähnlich entstehen auch Lipidnanopartikel. Sobald die Lipide mit der wässrigen Phase in Kontakt kommen, ordnen sie sich spontan zu einer stabilen Nanostruktur an. Ihre wasserliebenden (hydrophilen) Kopfgruppen richten sich nach außen zur wässrigen Umgebung aus, während sich die wasserabweisenden (hydrophoben) Fettsäureschwänze im Inneren zusammenlagern. Während dieses Prozesses wird die mRNA in den entstehenden Lipidnanopartikel eingeschlossen.
Auch wenn dieser Prozess nur wenige Millisekunden dauert, entscheidet er darüber, unter welchen Bedingungen sich jeder einzelne Lipidnanopartikel bildet. Genau diese Bedingungen prägen letztlich seine kritischen Qualitätsmerkmale.
Vom Mischprozess zum Medikament
Treffen die Lipidlösung und die wässrige Wirkstofflösung aufeinander, beginnen sich nahezu zeitgleich Tausende von Lipidnanopartikeln zu bilden. Vermischen sich beide Flüssigkeiten schnell und gleichmäßig, entstehen für jeden einzelnen Partikel nahezu identische Bedingungen. Dadurch werden die Nanopartikel gleichzeitig gebildet, wachsen auf ähnliche Weise und entwickeln vergleichbare kritische Qualitätsmerkmale. Das Ergebnis sind Lipidnanopartikel mit einer engen Größenverteilung, einer hohen Verkapselungseffizienz und reproduzierbaren Eigenschaften. Die entscheidenden Voraussetzungen für eine zuverlässige und wirksame Arzneimittelentwicklung.
Ist der Mischprozess dagegen langsamer oder weniger gleichmäßig, entstehen für die einzelnen Partikel unterschiedliche Bedingungen. In verschiedenen Bereichen der Lösung herrschen unterschiedliche lokale Konzentrationen von Lipiden und Wirkstoff (API). Dadurch beginnen einige Nanopartikel früher zu entstehen, während andere länger wachsen oder sich unter anderen Bedingungen entwickeln. Anstatt einer einheitlichen Population von Lipidnanopartikeln entstehen Partikel mit unterschiedlichen Größen, Strukturen und Verkapselungseffizienzen. Die Folge sind größere Schwankungen in den kritischen Qualitätsmerkmalen (CQAs), was sich letztlich auch auf die Qualität und Leistungsfähigkeit der Formulierung auswirken kann
Abbildung 5: Einfluss der Mischbedingungen auf die kritischen Qualitätsattribute von Lipidnanopartikeln. Quelle: Eigene Darstellung, erstellt mit Unterstützung generativer KI
Mit anderen Worten: Der Mischprozess schafft die Bedingungen, unter denen jeder einzelne Lipidnanopartikel entsteht. Da diese ersten Millisekunden seine kritischen Qualitätsmerkmale bestimmen, beeinflussen sie letztlich auch, wie gut ein LNP als Arzneimittel funktioniert.
Engineering the First Millisecond
Wenn die Qualität eines LNP bereits während seiner Entstehung festgelegt wird, bleibt eine naheliegende Frage:
Wie lässt sich ein Prozess kontrollieren, der so unglaublich schnell abläuft?
Die Antwort liegt in der Mischtechnologie.
Wer sich mit der Herstellung von Lipidnanopartikeln beschäftigt, stößt schnell auf eine Vielzahl unterschiedlicher Mischverfahren. Vom einfachen manuellen Rühren über T-Mischer und mikrofluidische Systeme bis hin zu Herringbone-Mischern und Impinging Jet Mixern (IJMs). Diese Vielfalt hat einen guten Grund: Jeder Mischer erzeugt eine andere Mischumgebung.
Seine Geometrie bestimmt, wie Lipid- und wässrige Phase aufeinandertreffen, wie schnell sie sich vermischen und wie viel Zeit den Lipiden bleibt, um Keime zu bilden, zu wachsen und schließlich durch Selbstassemblierung zu stabilen Nanopartikeln heranzureifen. Da dieser gesamte Prozess extrem schnell abläuft, können bereits kleinste Unterschiede im Mischprozess die späteren kritischen Qualitätsmerkmale erheblich beeinflussen.
Aus diesem Grund wurden klassische Chargenverfahren wie das manuelle Rühren im Laufe der Jahre weitgehend durch moderne kontinuierliche Mischverfahren ersetzt. Diese ermöglichen eine deutlich schnellere und homogenere Durchmischung der beiden Flüssigkeitsströme und schaffen damit die Voraussetzung für eine reproduzierbare LNP-Herstellung.
Zu den etabliertesten Technologien gehören heute Impinging Jet Mixer. Dabei werden zwei Flüssigkeitsströme mit hoher Geschwindigkeit frontal aufeinander gelenkt. Die dabei entstehenden, hochkontrollierten Mischbedingungen ermöglichen die Bildung gleichmäßiger und reproduzierbarer Lipidnanopartikel mit konsistenten kritischen Qualitätsmerkmalen.
Genau auf diesem Mischprinzip basieren die LNP-Plattformen von KNAUER. Durch die Kombination aus präziser Durchflussregelung und Impinging-Jet-Mixing unterstützen sie eine reproduzierbare Herstellung von Lipidnanopartikeln von der frühen Formulierungsentwicklung und dem Formulierungsscreening über die Prozessentwicklung bis hin zur skalierbaren Produktion.
Bei der Herstellung von Lipidnanopartikeln ist der Mischer weit mehr als nur eine technische Komponente. Er ist das Herzstück des Prozesses und schafft die Bedingungen, unter denen jeder einzelne Lipidnanopartikel entsteht.
Im dritten Teil unserer Blogreihe tauchen wir tiefer in die Technologie des Impinging Jet Mixing ein. Sie erfahren, warum dieses Mischprinzip die Grundlage für eine vollständig skalierbare LNP-Plattform bildet und wie es eine nahtlose Übertragung von der frühen Formulierungsentwicklung bis hin zur Produktion ermöglicht.
Weiterführende Informationen
Entdecken Sie KNAUERs Portfolio an LNP-Produktionsplattformen mit Impingement Jet Mixern – für jeden Schritt der LNP-Entwicklung, vom R&D-Screening über die Prozessentwicklung bis hin zum Produktionsmaßstab.
Für eine individuelle Beratung kontaktieren Sie uns gerne unter
Für weitere Informationen zu diesem Thema kontaktieren Sie gerne unsere Autorin unter: Regeler@knauer.net
