Application of small angle X-ray scattering for the characterization and quality control of lipid mRNA delivery systems

Abstract

mRNA basierte Arzneimittel repräsentieren eine neue Generation therapeutischer Ansätze mit vielseitigem Anwendungsgebiet. Die COVID-19 Pandemie im Jahr 2020 zeigte, dass ein großer Vorteil dieser Plattform ihre flexible Anpassungsfähigkeit an verschiedene Krankheiten ist. Neben der mRNA, die als Wirkstoff für die gewünschten Proteine codiert, stellt das Trägersystem einen wichtigen Bestandteil der Formulierung dar. Lipidbasierte Trägersysteme, wie zum Beispiel Lipid Nanopartikel, haben sich dabei als Goldstandard etabliert. Anders als bei klassischen Arzneiformen, bei denen Wirk- und Hilfsstoffe klar unterschieden werden können, fällt diese Differenzierung bei mRNA-basierten Arzneimitteln schwerer, da deren komplexe Formulierung nicht nur die Nukleinsäuren schützt und zur Zelle befördert, sondern auch die Wirksamkeit beeinflusst. Ein tiefgehendes Verständnis der strukturellen Organisation der Systeme ist daher sowohl für die Formulierungsentwicklung als auch für die Qualitätsbewertung von zentraler Bedeutung. In den vergangenen Jahren wurde erheblicher Aufwand in die Entwicklung neuer Lipide und Herstellungsmethoden investiert, um eine Produktion verbesserter Lipidvehikel in skalierbaren Prozessen zu ermöglichen. Da bislang nur wenige rationale Ansätze zur Formulierungsentwicklung existieren, gestaltet sich das Screening neuer Lipide hinsichtlich ihrer Aktivität als zeit- und ressourcenintensiv. Dabei besteht die Gefahr, dass vielversprechende Kandidaten in frühen Entwicklungsphasen ausgeschlossen werden. Struktur-Wirkungs-Beziehungen sowie die Identifikation struktureller Merkmale mit prognostischer Aussagekraft zur Wirksamkeit können hier einen entscheidenden Beitrag zur Effizienzsteigerung beitragen. Mit der Zulassung der ersten mRNA-basierten Arzneimittel rücken auch regulatorische Anforderungen an Qualität, Wirksamkeit und Unbedenklichkeit zunehmend in den Fokus. Erste Leitlinien von Zulassungsbehörden definieren mittlerweile zentrale Qualitätsmerkmale und schaffen damit den Rahmen für die Bewertung entsprechender Formulierungen. In dieser Arbeit wurde vor allem die Kleinwinkelröntgenstreuung- ergänzt durch weitere analytische Methoden- genutzt, um lipidbasierte mRNA-Trägersysteme im Detail zu charakterisieren und deren strukturelle Eigenschaften mit der Potenz in in vitro und in vivo Modellen zu korrelieren. Strukturaufklärung durch Kleinwinkelröntgenstreuung liefert dabei wertvolle Einblicke in die innere Struktur und allgemeine Morphologie der Nanopartikel. Dies ermöglicht die Detektion qualitätsrelevanter Merkmale sowie wirksamkeitsvoraussagender Struktureinheiten. Zusammengefasst ermöglichen die Ergebnisse dieser Arbeit, ein tieferes Verständnis von Struktur-Wirkungs-Beziehungen bei lipidbasierten mRNA-Trägersystemen, die in Zukunft sowohl für die Entwicklung verbesserter Plattformen als auch für die Bewertung der Qualität dieser Systeme herangezogen werden können.

mRNA-based drugs represent a novel class of therapeutics applicable in various treatments. As the COVID-19 pandemic in 2020 demonstrated, this platform enables the rapid development of drugs against emerging infectious diseases due to its flexible adaptability. Besides the mRNA, which encodes the desired proteins, the carrier system that delivers the mRNA to target cells is a crucial component of the formulation. Lipid-based carrier systems, such as lipid nanoparticles (LNPs), have established themselves as the gold standard for delivery. Unlike traditional drug formulations, where active pharmaceutical ingredients and excipients can be clearly distinguished, this differentiation is more challenging for mRNA-based drugs. The complex lipid composition not only protects and delivers the nucleic acids to cells but also influences efficacy. A deep understanding of the intermolecular interactions within these systems and their structural organization is therefore of great interest not only for formulation development but also for addressing quality issues. In recent years, significant efforts have been made to develop new carrier systems, including novel lipids and manufacturing methods, to enable the production of improved lipid vehicles through scalable processes. Since only a few paradigms for rational lipid synthesis and formulation development exist, screening new lipids for their activity using in vitro and in vivo models remains a time-consuming process. Additionally, there is a risk that highly potent candidates may be excluded from further development at early stages. Here, structure-activity relationships and the identification of structural fingerprints that can predict high efficacy can help conserve resources and facilitate more efficient formulation development. With the approval of the first mRNA-based drugs, the quality and safety requirements for these drugs must also be addressed. During the rapid approval process of the pandemic, not all quality standards were established; however, in the years that followed, initial guidelines from regulatory authorities emerged, defining the key quality attributes and setting the framework for the quality control of such formulations. In this work, small angle X-ray scattering (SAXS) was used in conjunction with other characterization methods to elucidate the properties of lipid-based mRNA carrier systems and correlate their structural properties with potency in in vitro and in vivo models. Structural elucidation through SAXS can provide valuable information about the internal structure of nanoparticles and their overall morphology. This enables the detection of quality-relevant features and structural units that are indicative of high potency. In summary, the results of this work provide a deeper understanding of structure-activity relationships in lipid-based mRNA carrier systems, which can be used for both the development of improved platforms and the quality assessment of these systems in the future.