核酸药物作为一种全新的生物治疗手段备受关注。其中，脂质纳米粒（LNPs）作为核酸药物的传递系统，因其高效性备受瞩目。然而，LNPs在临床应用上面临着一个严峻的挑战：如何实现从早期开发到临床应用的稳健的制备规模放大。

目前，可规模放大的合成LNPs方法主要分为并行化策略和通道尺寸扩大策略。然而，并行化策略需要依赖复杂的系统搭建，并且在大规模生产时难以保持LNPs稳定性；而通道尺寸扩大策略尽管能够实现稳定的大规模生产，但很难在不同流速下保持一致的粒径和尺寸分布。因此，我们迫切需要一种创新性的方法，既能保证可扩展合成，又能保持LNPs的一致性和稳定性。

为此，中科大工程学院褚家如教授团队的李保庆副教授与生命科学与医学部田长麟教授团队经过深入研究，提出了一种“等比例缩放通道尺寸”的可扩展化脂质纳米粒子合成策略。该策略通过在三个维度上等比例缩放惯性微流体混合器，实现了LNPs的可扩展合成。同时，我们基于流体力学的相似性理论并利用无量纲分析开发了一种理论预测方法，通过控制混合时间在不同芯片上保持一致，确保合成的LNPs具有一致的粒径和尺寸分布。这一创新性方法为LNPs的大规模生产提供了实际可行的途径，加速了核酸药物研发向临床应用的转化。相关成果发表在Nano Research上(相关链接：https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-023-6031-1  )。

合作团队提出了可扩展化合成的理论方法，通过控制混合时间的一致来保持LNPs粒径的一致性和良好的尺寸分布，并准确预测不同通道尺寸的芯片所需的混合时间与流量，实现不同通量的LNPs合成。

合作团队进一步设计并构建了高效的惯性流体微混合器，通过结合三种惯性流体效应，实现了溶液的在更低流速下的快速混合。接着，我们将该惯性流体微混合器等比例缩放，通过高精度3D打印以及激光加工制备出不同通道尺寸的芯片，以实现不同通量条件下的LNP筛选与规模化制备的一致性。

实验结果表明，利用等比缩放的芯片在相同的混合时间下合成的LNPs，具有一致的物理特性，平均粒径偏差不超过5%。此外，我们还成功合成了包载siRNA的LNPs，并在小鼠模型中验证了这些LNPs的相同的基因沉默能力。

总体而言，我们提出的“等比例扩大通道尺寸”的惯性流体微混合器策略，为核酸药物的大规模生产提供了一种简便、可靠且稳定的方法。该方法的应用有望加速LNPs药物从早期开发到临床应用的转化，推动核酸药物研发进入新的阶段。我们深信这一创新性的研究将为生物医学工程与纳米医学领域带来新的突破，可为人类健康做出重要贡献。

图1 在相同混合时间下，不同通道尺寸的混合器合成具有一致粒径和尺寸分布的LNPs。(a)等比例缩放微混合器用于可扩展化合成的策略。(b-c)在相同的混合时间下测量了一种可电离阳离子LNPs和一种中性 LNPs的平均粒径和PDI。

图2 不同通道尺寸混合器的混合时间、雷诺数、总流量和粒子尺寸之间的关系。(a) 不同通道尺寸混合器的混合时间与雷诺数之间的关系。(b) 不同通道尺寸混合器的总流量与混合时间之间的关系。(c-d) 使用四个通道尺寸混合器合成不同粒子大小的(c)可电离阳离子LNPs和(d)中性LNPs所需的流量。虚线表示在本实验中理论上可实现的值，但受PDMS芯片强度限制而无法实现。

图3惯性混合器的结构设计和混合机理。(a) 混合器结构的俯视图。(b) 实验装置和LNPs合成的示意图。(c) 混合机理的示意图（以第二个混合单元为例）。

图4在相同的混合时间（10毫秒）下，评估三种流量下合成的封装有siRNA的可电离阳离子 LNPs的物理特性。(a-c) 纯化前后的LNPs的平均粒径、PDI和粒径分布曲线。（d）100微米、250微米和500微米三种管道尺寸的微流控芯片合成的LNPs的包封率。

图5在相同的混合时间（10毫秒）下，评估三种流量下合成的C12-200 LNPs封装siRNA的体内因子VII基因沉默效率。使用100微米、250微米和500微米的混合器合成LNPs，经过纯化和浓缩后以0.5mg/kgsiRNA剂量尾静脉注射小鼠，2天后测定因子VII的活性。

图6等尺寸通道放大策略示意图。利用相同结构不同通道尺寸的微流体混合器，在LNPs合成的不同阶段实现高效扩展。小型混合器用于药物开发，实现最佳配方调整，同时节约RNA试剂。大型混合器用于临床应用和工业生产，合成具有一致性性质的LNPs。

李保庆，中国科学技术大学工程科学学院精密机械与精密仪器系副教授，主要研究方向为微机电系统，微流控芯片加工与检测技术，生物医疗仪器等。主持及参与多项国家自然科学基金课题，中科院先导专项，973计划等。以通讯作者和合作作者在期刊Lab on a Chip, AFM, ACS AMI,Talanta, IEEE BME, Sensors and Actuators A & B, Applied optics, Biomicrofluidics,光学精密工程等专业杂志发表SCI、EI论文五十余篇，申请专利十余项。

田长麟，中国科学技术大学生命科学与医学部教授、博导，国家杰青，科技部重点专项负责人，中科院强磁场科学中心副主任、中科院临床研究医院副院长。自2007年在中科大生命学院开展独立研究以来，以通讯作者或合作作者在Science, Nature, Cell Research, Cell Discovery, Nature Chemical Biology, Nature Cell Biology, Nature Communications, J Am Chem Soc, Angew Chemie Int Ed., J Phy Chem Lett., ChemCommun.等主流国际学术刊物上发表120余篇化学生物学、生命科学、生物医药等交叉研究成果。

Ma Z, Tong H, Lin S, et al. Scalable synthesis of lipid nanoparticles for nucleic acid drug delivery using an isometric channel-size enlarging strategy. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-023-6031-1  .

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