pharmjournalРазработка и регистрация лекарственных средствDrug development & registration2305-20662658-5049LLC «CPHA»10.33380/2305-2066-2025-14-4-2195pharmjournal-2211Research ArticleФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯPHARMACEUTICAL TECHNOLOGYОптимизация технологических параметров получения липидных наночастиц как систем доставки лекарственных средствOptimisation of technological parameters for production of lipid nanoparticles for delivery of mRNAhttps://orcid.org/0000-0001-9292-4240КоцурЮ. М.KotsurYu. M.

197022, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 14, литера А197341, г. Санкт-Петербург, ул. Аккуратова, д. 2

14A, Professora Popova str., Saint-Petersburg, 1970222, Akkuratova str., Saint-Petersburg, 197341

uliya.kocur@spcpu.ruhttps://orcid.org/0009-0002-5678-672XМалковС. Д.MalkovS. D.

197022, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 14, литера А

14A, Professora Popova str., Saint-Petersburg, 197022

https://orcid.org/0009-0001-1190-5839ЗарифиК. О.ZarifiK. O.

197022, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 14, литера А

14A, Professora Popova str., Saint-Petersburg, 197022

https://orcid.org/0000-0003-1922-3282ГусевК. А.GusevK. A.

197022, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 14, литера А197341, г. Санкт-Петербург, ул. Аккуратова, д. 2

14A, Professora Popova str., Saint-Petersburg, 1970222, Akkuratova str., Saint-Petersburg, 197341

https://orcid.org/0000-0001-8070-1699МаймистовД. Н.MaimistovD. N.

197022, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 14, литера А

14A, Professora Popova str., Saint-Petersburg, 197022

https://orcid.org/0000-0001-8077-2462ФлисюкЕ. В.FlisyukE. V.

197022, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 14, литера А

14A, Professora Popova str., Saint-Petersburg, 197022

https://orcid.org/0000-0002-5483-6626НаркевичИ. А.NarkevichI. A.

197022, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 14, литера А

14A, Professora Popova str., Saint-Petersburg, 197022

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО СПХФУ Минздрава России); Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр имени В. А. Алмазова» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ «НМИЦ им. В. А. Алмазова» Минздрава России)РоссияSaint-Petersburg State Chemical and Pharmaceutical University; Almazov National Medical Research Center of the Ministry of Health of the Russian FederationRussian FederationФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО СПХФУ Минздрава России)РоссияSaint-Petersburg State Chemical and Pharmaceutical UniversityRussian Federation202503122025144101107Copyright © Коцур Ю.М., Малков С.Д., Зарифи К.О., Гусев К.А., Маймистов Д.Н., Флисюк Е.В., Наркевич И.А., 20252025Коцур Ю.М., Малков С.Д., Зарифи К.О., Гусев К.А., Маймистов Д.Н., Флисюк Е.В., Наркевич И.А.Kotsur Y.M., Malkov S.D., Zarifi K.O., Gusev K.A., Maimistov D.N., Flisyuk E.V., Narkevich I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.pharmjournal.ru/jour/article/view/2211Введение

Введение. Генная терапия активно развивается благодаря использованию мРНК-агентов для лечения и профилактики различных заболеваний. Для проявления терапевтического эффекта необходимо доставить мРНК в клетки-мишени и вызвать синтез целевых белков. Основные задачи включают разработку безопасных и эффективных систем доставки. Критическими показателями качества для липидных наночастиц (ЛНЧ) являются средний размер частиц, индекс полидисперсности и значение ζ-потенциала.

Цель

Цель. Изучение и оптимизация условий сборки липидных наночастиц для управления их основными характеристиками.

Материалы и методы

Материалы и методы. Ионизируемый липид гептадекан-9ил(Z)-N-((4-диметиламино)бутил)тио)карбонил)-N-(2-(нон-2-ен-1-илокси)-2-оксоэтил)глицинат (ИЛ) и хелперные липиды – дипальмитоилглицерофосфат (DPPC), холестерол и a-(3’-[1,2-ди(миристилокси)пропанокси]карбониламино}пропил)-w-метоксиполиоксиэтилен (DMG-PEG2000). Растворители: абсолютный спирт, вода очищенная. Буферные растворы: ацетатный буферный раствор (рН 4,5), фосфатный буферный раствор (рН 7,4). Оборудование: микрофлюидная установка Dolomite (Dolomite Microfluidics, Великобритания), Y-образный полимерный микрофлюидный чип с пассивным микромиксером типа «катушка Тесла», анализатор наноразмерных частиц Nanosizer Zeta Pro (ООО «Микротрак», Россия).

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. В рамках исследования было изучено воздействие критических параметров процесса, таких как общая скорость потока (ОСП) и соотношение скоростей потоков (ССП) на свойства ЛНЧ. Были проанализированы такие характеристики, как гидродинамический диаметр (Z-average), средний диаметр частиц (D50), индекс полидисперсности (ИПД, PDI) и ζ-потенциал. Исследование подтверждает, что при увеличении ССП средний гидродинамический и медианный размер частиц уменьшается. Увеличение ОСП также уменьшает гидродинамический и медианный размер частиц за счет гидродинамической фокусировки, но при ОСП = 3200 мкл/мин размер частиц увеличивается из-за снижения стабильности наноэмульсии и агрегации мелких частиц. В исследовании не выявлена прямая зависимость между FRR и ИПД. Наноэмульсии с ССП 1 : 3 и 1 : 4 показали наибольшую однородность. При увеличении ОСП полидисперсность наночастиц снижается. В исследовании не обнаружена зависимость ζ-потенциала липидных наночастиц от оцениваемых параметров процесса. Однако с увеличением ОСП наблюдается тенденция к повышению ζ-потенциала.

Заключение

Заключение. В исследовании были оптимизированы условия сборки липидных наночастиц (ЛНЧ) с помощью микрофлюидного метода. Предложены математические модели для управления характеристиками наночастиц. Оптимальные условия получения ЛНЧ: ССП = 1 : 3; 1 : 4; ОСП от 2000 до 3000 мкл/мин. При использовании ССП = 1 : 5 и/или ОСП > 3000 мкл/мин показатели могут выйти за пределы оптимального диапазона, что требует дополнительной оценки рисков.

Introduction

Introduction. Gene therapy is actively developing through the use of mRNA agents for the treatment and prevention of various diseases. To manifest a therapeutic effect, it is necessary to deliver mRNA to target cells and induce the synthesis of target proteins. Key challenges include developing safe and efficient delivery systems. The critical quality attributes for lipid nanoparticles are average particle size, polydispersity index, and ζ potential.

Aim

Aim. To study and optimize the assembly conditions of lipid nanoparticles to control their basic characteristics.

Materials and methods

Materials and methods. Ionizable lipid heptadecan-9yl(Z)-N-((4-dimethylamino)butyl)thio)carbonyl)-N-(2-(non-2-en-1-yloxy)-2-oxoethyl)glycinate (IL) and helper lipids – dipalmitoylglierophosphate (DPPC), cholesterol, and a-(3"-[1,2-di (myristyloxy) propanoxy]carbonylamino}propyl)-w-methoxypolyoxyethylene (DMG-PEG2000). Solvents: absolute alcohol, purified water. Buffer solutions: acetate buffer solution (pH 4.5), phosphate buffer solution (pH 7.4). Equipment: microfluidic installation Dolomite (Dolomite Microfluidics, Великобритания), Y-shaped polymer microfluidic chip with passive micromixer type "tesla coil", Nanosizer Zeta Pro nanoscale particle analyzer (LLC "Microtrack", Russia).

Results and discussion

Results and discussion. The study examined the effects of TFR and FRR parameters on LNF properties. Characteristics such as hydrodynamic diameter (Z-average), average particle diameter (D50), polydispersity index (PDI) and ζ potential were analyzed. The study confirms that with increasing FRR, the average hydrodynamic and median particle sizes decrease. Increasing TFR also decreases Z-average and D50 through hydrodynamic focusing, but at TFR = 3200 μl/min, particle size increases due to decreased nanoemulsion stability and fine particle aggregation. The study did not reveal a direct relationship between FRR and PDI. Nanoemulsions with FRRs of 1 : 3 and 1 : 4 showed the greatest homogeneity. As TFR increases, the polydispersity of the nanoparticles decreases. In the study, the dependence of the ζ potential of lipid nanoparticles on the estimated process parameters was not found. However, as TFR increases, the ζ potential tends to increase.

Conclusion

Conclusion. In the study, the conditions for assembling lipid nanoparticles (LNP) using the microfluidic method were optimized. Mathematical models are proposed to control characteristics of nanoparticles. Optimal conditions for producing LNP: FRR = 1 : 3; 1 : 4; TFR 2000 to 3000 µL/min. If FRR = 1 : 5 and/or TFR > 3000 µL/min are used, the values may be outside the optimal range, which requires additional risk assessment.

липидные наночастицыкритические показатели качествамикрофлюидный методlipid nanoparticlescritical quality attributesmicrofluidic methodИсследование поддержано грантом Российского научного фонда № 24-15-20026, https://rscf.ru/project/24-15-20026/, совместно с грантом Санкт-Петербургского научного фонда.The study was supported by grant No. 24-15-20026 from the Russian Science Foundation and the St. Petersburg Science Foundation, https://rscf.ru/project/24-15-20026/.ReferencesHou X., Zaks T., Langer R. Dong Y. Lipid nanoparticles for mRNA delivery. Nature Reviews Materials. 2021;6:1078–1094. DOI: 10.1038/s41578-021-00358-0.Hou X., Zaks T., Langer R. Dong Y. Lipid nanoparticles for mRNA delivery. Nature Reviews Materials. 2021;6:1078–1094. DOI: 10.1038/s41578-021-00358-0.Zhu X., Tao W., Liu D., Wu J., Guo Z., Ji X., Bharwani Z., Zhao L., Zhao X., Farokhzad O. C., Shi J. Surface De-PEG-ylation Controls Nanoparticle-Mediated siRNA Delivery In Vitro and In Vivo. Theranostics. 2017;7(7):1990–2002. DOI: 10.7150/thno.18136.Zhu X., Tao W., Liu D., Wu J., Guo Z., Ji X., Bharwani Z., Zhao L., Zhao X., Farokhzad O. C., Shi J. Surface De-PEG-ylation Controls Nanoparticle-Mediated siRNA Delivery In Vitro and In Vivo. Theranostics. 2017;7(7):1990–2002. DOI: 10.7150/thno.18136.Осочук С. С., Коцур Ю. М., Пожарицкая О. Н., Флисюк Е. В., Смехова И. Е., Малков С. Д., Зарифи К. О., Титович И. А., Красова Е. К., Шиков А. Н. Липосомы – метаболически активные транспортные системы лекарственных средств: классификация, составные компоненты, способы изготовления и стабилизации. Часть 1. Разработка и регистрация лекарственных средств. 2024;13(4):60–77. DOI: 10.33380/2305-2066-2024-13-4-1867.Osochuk S. S., Kotsur Yu. M., Pozharitskaya O. N., Flisyuk E. V., Smekhova I. E., Malkov S. D., Zarifi K. O., Titovich I. A., Krasova E. K., Shikov A. N. Liposomes – metabolically active drug transport systems: classification, components, preparation methods, and stabilization. Part 1. Drug development & registration. 2024;13(4):60–77. (In Russ.) DOI: 10.33380/2305-2066-2024-13-4-1867.Osouli-Bostanabad K., Pulig S., Serrano D. R., Bucchi A., Halbert G., Lalatsa A. Microfluidic Manufacture of Lipid-Based Nanomedicines. Pharmaceutics. 2022;14(9):1940. DOI: 10.3390/pharmaceutics14091940.Osouli-Bostanabad K., Pulig S., Serrano D. R., Bucchi A., Halbert G., Lalatsa A. Microfluidic Manufacture of Lipid-Based Nanomedicines. Pharmaceutics. 2022;14(9):1940. DOI: 10.3390/pharmaceutics14091940.Roces C. B., Lou G., Jain N., Abraham S., Thomas A., Halber G. W., Perrie Y. Manufacturing Consideration for the Development of Lipid Nanoparticles Using Microfluidics. Pharmaceutics. 2020;12(11):1095. DOI: 10.3390/pharmaceutics12111095.Roces C. B., Lou G., Jain N., Abraham S., Thomas A., Halber G. W., Perrie Y. Manufacturing Consideration for the Development of Lipid Nanoparticles Using Microfluidics. Pharmaceutics. 2020;12(11):1095. DOI: 10.3390/pharmaceutics12111095.Ripoll M., Martin E., Enot M., Robbe O., Rapisarda C., Nicolai M.-C., Deliot A., Tabeling P., Authelin J.-R., Nakach M., Wils P. Optimal self-assembly of lipid nanoparticles (LNP) in a ring micromicser. Scientific Reports. 2022;12:9483. DOI: 10.1038/s41598-022-13112-5.Ripoll M., Martin E., Enot M., Robbe O., Rapisarda C., Nicolai M.-C., Deliot A., Tabeling P., Authelin J.-R., Nakach M., Wils P. Optimal self-assembly of lipid nanoparticles (LNP) in a ring micromicser. Scientific Reports. 2022;12:9483. DOI: 10.1038/s41598-022-13112-5.Guimaraes P. P. G., Zhang R., Spektor R., Tan M., Chung A., Billingsley M. M., El-Mayta R., Riley R. S., Wang L., Wilson J. M., Mitchell M. J. Ionizable Lipid Nanoparticles Encapsulating Barcoded mRNA for Accelerated in Vivo Delivery Screening. Journal of Controlled Release. 2019;316;404–417. DOI: 10.1016/j.jconrel.2019.10.028.Guimaraes P. P. G., Zhang R., Spektor R., Tan M., Chung A., Billingsley M. M., El-Mayta R., Riley R. S., Wang L., Wilson J. M., Mitchell M. J. Ionizable Lipid Nanoparticles Encapsulating Barcoded mRNA for Accelerated in Vivo Delivery Screening. Journal of Controlled Release. 2019;316;404–417. DOI: 10.1016/j.jconrel.2019.10.028.Palanki R., Han E. L., Murray A. M., Maganti R., Tang S., Swingle K. L., Kim D., Yamagata H., Safford H. C., Mrksich K., Peranteau W. H., Mitchell M. J. Optimized microfluidic formulation and organic excipients for improved lipid nanoparticlemediated genome editing. Lab on a Chip. 2024;24:3790–3801. DOI: 10.1039/D4LC00283K.Palanki R., Han E. L., Murray A. M., Maganti R., Tang S., Swingle K. L., Kim D., Yamagata H., Safford H. C., Mrksich K., Peranteau W. H., Mitchell M. J. Optimized microfluidic formulation and organic excipients for improved lipid nanoparticlemediated genome editing. Lab on a Chip. 2024;24:3790–3801. DOI: 10.1039/D4LC00283K.Hidayat A. F., Wardhana Y. W., Suwendar S., Mohammed A. F. A., Mahmoud S. A., Elamin K. M., Wathoni N. A Review on QbD-Driven Optimization of Lipid Nanoparticles for Oral Drug Delivery: From Framework to Formulation. International Journal of Nanomedicine. 2025;20:8611–8651. DOI: 10.2147/IJN.S534137.Hidayat A. F., Wardhana Y. W., Suwendar S., Mohammed A. F. A., Mahmoud S. A., Elamin K. M., Wathoni N. A Review on QbD-Driven Optimization of Lipid Nanoparticles for Oral Drug Delivery: From Framework to Formulation. International Journal of Nanomedicine. 2025;20:8611–8651. DOI: 10.2147/IJN.S534137.Gimondi S., Ferreira H., Reis R. L., Neves N. M. Microfluidic Devices: A Tool for Nanoparticle Synthesis and Performance Evaluation. ACS Nano. 2023;17(15):14205–14228. DOI: 10.1021/acsnano.3c01117.Gimondi S., Ferreira H., Reis R. L., Neves N. M. Microfluidic Devices: A Tool for Nanoparticle Synthesis and Performance Evaluation. ACS Nano. 2023;17(15):14205–14228. DOI: 10.1021/acsnano.3c01117.Nel A. E., Mädler L., Velegol D., Xia T., Hoek E. M. V., Somasundaran P., Klaessig F., Castranova V., Thompson M. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface. Nature Materials. 2009;8(7):543–557. DOI: 10.1038/nmat2442.Nel A. E., Mädler L., Velegol D., Xia T., Hoek E. M. V., Somasundaran P., Klaessig F., Castranova V., Thompson M. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface. Nature Materials. 2009;8(7):543–557. DOI: 10.1038/nmat2442.Smith M. C., Crist R. M., Clogston J. D., McNeil S. E. Zeta potential: a case study of cationic, anionic, and neutral liposomes. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2017;409(24):5779–5787. DOI: 10.1007/s00216-017-0527-z.Smith M. C., Crist R. M., Clogston J. D., McNeil S. E. Zeta potential: a case study of cationic, anionic, and neutral liposomes. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2017;409(24):5779–5787. DOI: 10.1007/s00216-017-0527-z.Ефремова У. А., Чугунова П. А., Поникаровская Е. С., Тернинко И. И. Подходы к контролю качества носителей лекарственных средств. Разработка и регистрация лекарственных средств. 2025;14(3):108–122. DOI: 10.33380/2305-2066-2025-14-3-2075.Efremova U. A., Chugunova P. A., Ponikarovskaya E. S., Terninko I. I. Approaches to quality control of drug carriers. Drug development & registration. 2025;14(3):108–122. (In Russ.) DOI: 10.33380/2305-2066-2025-14-3-2075.Schoenmaker L., Witzigmann D., Kulkarni J. A., Verbeke R., Kersten G., Jiskoot W., Crommelin D. J. A. mRNA-lipid nanoparticle COVID-19 vaccines: Structure and stability. International Journal of Pharmaceutics. 2021;601:120586. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2021.20586.Schoenmaker L., Witzigmann D., Kulkarni J. A., Verbeke R., Kersten G., Jiskoot W., Crommelin D. J. A. mRNA-lipid nanoparticle COVID-19 vaccines: Structure and stability. International Journal of Pharmaceutics. 2021;601:120586. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2021.20586.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.