Stabilization of Ostwald Ripening in Low Molecular Weight Amino Lipid Nanoparticles for Systemic Delivery of siRNA Therapeutics

合理设计 奥斯特瓦尔德成熟 化学 体内 生物物理学 纳米颗粒 高分子 纳米技术 生物化学 生物 材料科学 生物技术
作者
Marian E. Gindy,Brad Feuston,Angela Glass,Leticia Arrington,Robert Haas,Joseph Schariter,Steven M. Stirdivant
出处
期刊:Molecular Pharmaceutics [American Chemical Society]
卷期号:11 (11): 4143-4153 被引量:61
标识
DOI:10.1021/mp500367k
摘要

Lipid nanoparticles (LNPs) represent the most clinically advanced technology for the systemic delivery of therapeutic siRNA in vivo. Toward this end, a novel class of LNPs comprising low molecular weight (MW) ionizable amino lipids having asymmetric architecture was recently reported.1 LNPs of these amino lipids, termed asymmetric LNPs, were shown to be highly efficacious and well tolerated in vivo; advances were enabled by improved endosomal escape, coupled with enhanced amino lipid metabolism and clearance. In this work, we show that, in contrast to their desirable pharmacological performance, asymmetric LNPs present a significant pharmaceutical developability challenge, namely physical instability limiting extended shelf life. Using orthogonal characterization methods, we identify the mechanism of LNP instability as Ostwald ripening and establish it to be driven predominantly by the asymmetric amino lipid component. Through rational optimization of LNP physical and macromolecular properties, we are able to significantly attenuate or entirely eliminate the Ostwald ripening instability. Modulation of LNP size, for example, effectively halts particle growth. Similarly, optimization of LNP macromolecular packing through deliberate selection of structurally matched colipids significantly diminishes the rate of ripening. This later experimental observation is substantiated by molecular dynamics simulations of LNP self-assembly, which establish a quantitative dependence of LNP macromolecular order on colipid structure. In totality, the experimental and molecular dynamics outcomes of this work support the rational design of LNP physical and chemical properties leading to effective Ostwald ripening stabilization and enable the advance of asymmetric LNPs as a clinic-ready platform for siRNA therapeutics.
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