Optimization of Lipid Nanoparticles for saRNA Expression and Cellular Activation Using a Design-of-Experiment Approach

化学 纳米颗粒 生物 细胞生物学 生物物理学 计算生物学 生物系统 纳米技术 材料科学
作者
Bao-Han Ly,Simon Daniel,Shekinah K. V. Soriano,Zoltán Kis,Anna K. Blakney
出处
期刊:Molecular Pharmaceutics [American Chemical Society]
卷期号:19 (6): 1892-1905 被引量:59
标识
DOI:10.1021/acs.molpharmaceut.2c00032
摘要

Lipid nanoparticles (LNPs) are the leading technology for RNA delivery, given the success of the Pfizer/BioNTech and Moderna COVID-19 mRNA (mRNA) vaccines, and small interfering RNA (siRNA) therapies (patisiran). However, optimization of LNP process parameters and compositions for larger RNA payloads such as self-amplifying RNA (saRNA), which can have complex secondary structures, have not been carried out. Furthermore, the interactions between process parameters, critical quality attributes (CQAs), and function, such as protein expression and cellular activation, are not well understood. Here, we used two iterations of design of experiments (DoE) (definitive screening design and Box–Behnken design) to optimize saRNA formulations using the leading, FDA-approved ionizable lipids (MC3, ALC-0315, and SM-102). We observed that PEG is required to preserve the CQAs and that saRNA is more challenging to encapsulate and preserve than mRNA. We identified three formulations to minimize cellular activation, maximize cellular activation, or meet a CQA profile while maximizing protein expression. The significant parameters and design of the response surface modeling and multiple response optimization may be useful for designing formulations for a range of applications, such as vaccines or protein replacement therapies, for larger RNA cargoes.

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