Next generation lipid nanoparticles for mRNA delivery

Abstract

Die Messenger-RNA (mRNA) hat in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen, da sie das Potenzial hat, eine Vielzahl von Krankheiten zu verhindern und zu behandeln. Obwohl bei der Entwicklung von in vitro transkribierter mRNA hinsichtlich ihrer Stabilität, ihrer Translationsfähigkeit und ihres immunstimulatorischen Potenzials erhebliche Verbesserungen erzielt wurden, erfordert der therapeutische Einsatz von mRNA weiterhin die Entwicklung sicherer und wirksamer Transportmittel. Der aktuelle Entwicklungstand bei der LNP-Technologie für den mRNA-Transport ist von den Erkenntnissen aus dem Bereich der kurzen Interferenz-RNA (siRNA) inspiriert. Darüber hinaus sind die molekularen Zusammenhänge und damit die Grundlagen des LNP-Designs nach wie vor kaum verstanden, wodurch die Entwicklung der nächsten Generation klinisch relevanter Lipidformulierungen behindert wird. In dieser Arbeit wurde das hochmoderne Design von LNP für die mRNA-Verabreichung systematisch untersucht, indem die Auswirkungen verschiedener Parameter der Formulierung und des Herstellungsprozesses (z. B. N/P-Verhältnis, Herstellungsprozess und Lipidzusammensetzung) auf die physikochemischen Eigenschaften, die Morphologie und die biologische Aktivität der Formulierungen erforscht wurden. Unsere Ergebnisse zeigten, dass sich die Struktur von mRNA-LNP von den zuvor für siRNA beschriebenen unterscheidet, da nur 2 bis 3 Wiederholungseinheiten, vermutlich RNA-Lipid-Komplexe, vorhanden sind. Darüber hinaus können mRNA-Lipid-Formulierungen sowohl mit dem LPX- als auch mit dem LNP-Herstellungsverfahren hergestellt werden, ohne dass die Leistungsfähigkeit eingeschränkt wird. Noch wichtiger ist, dass die Partikelgröße und nicht das Herstellungsverfahren die Biodistribution und Wirksamkeit der RNA-Lipid-Formulierung zu bestimmen scheint. Abgesehen von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Formulierung wurde außerdem gezeigt, dass die Kombination mit anderen Komponenten, wie z. B. die Auswahl von Hilfslipiden und Pfropfkomponenten, ein Targeting über die Leber hinaus ermöglichen kann. Zum ersten Mal wurden nicht-PEGylierte LNP erfolgreich entwickelt; Proteine, mRNA, Poloxamere und Polipeptoide wurden zur Herstellung von mRNA-Lipid-Formulierungen durch schnelle Mischtechniken verwendet. Die mit pSar enthaltenen Lipide zeigten vielversprechende Ergebnisse, da sie eine Kontrolle der Partikelgröße ohne Beeinträchtigung der Formulierungsaktivität der Formulierungen ermöglichten, was neue Möglichkeiten für die Kombination von Partikeltechnik und Optimierung der biologischen Aktivität eröffnet. Um die Leistung der pSar-Technologie zu verbessern, wurden neuartige ionisierbare Lipide für die Verabreichung an die Leber untersucht. Optimierte pSar-LNP verbesserten die hepatische Leistung und Verträglichkeit, was zeigt, dass die pSar-basierte Nanopartikeltechnologie vielversprechend für die Entwicklung potenter und sicherer RNA-Therapeutika der nächsten Generation für die klinische Anwendung ist. Schließlich wurden im Rahmen dieser Arbeit LNP-Formulierungen für die intramuskuläre Applikation von saRNA-Impfstoffen gegen Infektionskrankheiten entwickelt - ein wichtiger Bereich, der seit der aufkommenden Pandemie an Bedeutung gewonnen hat. Die selbstreplikativen Eigenschaften der saRNA-LNP-Formulierungen ermöglichen die Verabreichung geringerer Dosen, wodurch Sekundäreffekte reduziert werden können. Drei der dreizehn In-vivo-Kandidaten zeigten hohe Antikörper- und Neutralisationstiter gegen HA-spezifische Antigene. Außerdem zeigten die Daten vielversprechende Ergebnisse bei der intramuskulären Verabreichung von Impfstoffen durch die pSar-Technologie. Ein optimierter saRNA-LNP löste EBOV-GP-spezifische Antikörper Neutralisationstiter sowie T-Zell-Reaktionen aus und stellt somit einen vielversprechenden Kandidaten für die Impfung gegen Infektionskrankheiten dar. Diese Arbeit gibt einen umfassenden Überblick über den Technologiestandbeim Design von mRNA-Lipid-Formulierungen, die anschließend eine Entwicklung neuartiger mRNA-Lipid-Therapeutika mit verbesserter Wirksamkeit und Sicherheit ermöglichten.