通過仿真指導 mRNA 疫苗生產

脂質納米粒（LNP）遞送技術被用于病毒疫苗、癌癥療法、鎮痛劑和光動力療法等各種藥物應用中。近年來，LNP 技術在 mRNA 疫苗中的應用尤其受到公眾的關注。mRNA 疫苗的遞送效果取決于 LNP 的尺寸和劑量：小尺寸 LNP 更善于穿透組織，但由于遞送產量低，需要較高的劑量。研究人員可以通過反復實驗來滿足這些要求。然而，來自 Veryst Engineering 的一個研究團隊提出，通過仿真指導設計過程將對實驗起到補充作用，最終可以節省成本和時間，幫助找到更具創新性的解決方案。

mRNA 疫苗生產：混合與自組裝

Veryst Engineering 是一家工程咨詢公司，專注于通過仿真進行產品設計、制造工藝和疲勞分析。在 COMSOL 主題日：制藥應用的主題演講中，Veryst 的合伙人 Matthew Hancock 和高級工程師 Joseph Barakak 介紹了 mRNA 疫苗的生產，并分享了如何通過仿真提升納米藥物的設計過程。

“廣義上來說，mRNA 疫苗生產是有機相與水相的混合。水相中含有帶負電荷的 mRNA，有機相中含有用于封裝 mRNA 的脂質?！盉arakat 介紹說，“只要有足夠的停留和混合時間，這些成分就會混合并進行自組裝，自發形成聚集體。這些聚集體，即 LNP 構成了近年來備受公眾關注的 mRNA 疫苗?！?/p>

圖1.mRNA 疫苗的詳細生產示意圖。圖片由 Veryst Engineering 提供。

Barakak 解釋說，有兩種常見的方法可以將各種成分混合在一起形成聚集體。在大規模的藥物生產制造中，使用湍流方式，即通過大漩渦分解成越來越小的漩渦的級聯快速混合提高分子擴散的效果。對于小批量藥物生產，如藥物發明或精準醫學開發中，則采用微流控設備，因為它的流體體積小?！拔⒘骺卦O備面臨的挑戰是……，要實現高效、快速的混合，就不能利用湍流混合，但湍流混合又非常高效?！?Barakak 說道。此外，即使這種設備很小，分子擴散速度通常來說也仍然太慢，無法達到理想的混合速度。不過，有多種主動和被動形式的混合，包括混沌混合都適合用于微流控設備。

首先且重要的是，要理解哪種混合方式最適合生產 mRNA 疫苗。在生產疫苗時，還需要克服更多的挑戰。

LNP 生產面臨的挑戰

生產 mRNA 疫苗是一項艱巨的任務。LNP 的尺寸（直接影響這些納米藥物的療效）在很大程度上取決于混合時間。Hancock 說：“一般來說，混合時間越長，脂質聚集的時間就越長，從而產生更大的聚集體和更不均勻的尺寸分布；而混合時間越短，納米顆粒越小，但產量越低。

圖2.兩種瓶裝 mRNA 疫苗。照片由 Spencer Davis 拍攝，來自 Unsplash。

可以通過反復實驗實現混合時間的微調，但生產和測試實際裝置既費時又費錢。仿真可以補充和完善小批量和大規模生產過程中的實驗設計過程。在主題演講中，Veryst 舉例說明了如何利用仿真比較不同的微流體設備設計，通過幾何特性實現混沌混合。

微流控設備中的混沌混合

在主題演講中，Hancock 簡要介紹了三種微流體設備設計的混合仿真預測，據報道，這三種設計已經用于真實的實驗中來生產 LNP。在每種設計中，裝載著脂質的乙醇從一個入口流出，裝載著 mRNA 分子的水則從另一個入口流出。當兩種流體匯合后再一起流過每個設備。理想情況下，所有三種設備設計都能使乙醇和水充分混合，并使各組分沿途自組裝成 LNP。沿通道連續橫截面的流線和乙醇濃度預測顯示了這一過程混合成功（圖3-5）。

型號1：蛇形混合器

在第一個模型（圖3）中，Hancock 分析了一個采用蛇形設計的微流體設備。Hancock 說：“微流控蛇形混合器通過蛇形通道產生的渦流實現了高效的混沌混合?！痹撛O備的通道高度為 100μm，這是微流控設備的典型特征。

在這種設計中，當流速較高（雷諾數為 20-100 ）時，乙醇和水在蛇形通道的末端完全混合，這對于 LNP 的形成和 mRNA 疫苗的生產都是非常理想的。圖3中的圖像顯示了“乙醇濃度在通道橫截面上的分布，并顯示了混合是如何沿著通道逐步進行的?！盚ancock 說道。遺憾的是，在流速較低時，這種設備無法產生良好的混合和高效 LNP 生產所需的漩渦和慣性效應。

圖3. 采用蛇形攪拌器設計的微流體設備的流線和通道橫截面上的乙醇濃度。圖片由 Veryst Engineering 提供。

型號 2：交錯人字形攪拌器

第二個模型（圖4）是一臺交錯人字形攪拌器?！斑@是一種人們一看到就會記住的攪拌器?！?Hancock 介紹道，這種設計由 “人字形凹槽組成，這些凹槽沿著通道底部交替排列，使流線形成一種膛線”。

凹槽的交替方向促進了通道內物體的面包師變換（Baker’s transformation）?；蛘?，正如 Hancock 所解釋的那樣：“它將最初大量的兩種不同溶液拆分并重新組合，逐漸產生越來越多和距離越來越近的單個溶液交替層”。隨著兩種溶液層的距離越來越近，它們在分子擴散過程中的混合速度也越來越快。人字形攪拌器可提供跨流速的有效混合，這意味著它沒有蛇形設計的高流速限制。

“事實證明，這種特殊類型的混合器在很寬的流速和雷諾數范圍內都很高效?！盚ancock 說道。該模型的預測表明，人字形混合器應能夠高效生產 LNP 和 mRNA 疫苗。

圖4.采用交錯人字形混合器設計的微流體設備的流線和通道橫截面上的乙醇濃度。圖片由 Veryst Engineering 提供。

模型3：環形混合器

主題演講中討論的最后一個模型是由一系列環形通道組成的微流體混合器。Hancock 說：“（這種）微流體混沌混合器使用的是迪恩流。迪恩流是流體在彎曲通道中運動時形成的一種循環，它在流速和雷諾數較高時非?；钴S”。

在該模型的模擬中，流體的混合相對成功，但與蛇形方法一樣，該混合需要較高的雷諾數。Hancock 還注意到，盡管通過每個環后的混合程度有所改善，但圖中的設計（圖5）需要更多的環才能產生理想的混合效果。

圖5.采用環形混合器設計的微流控設備中，沿通道橫截面的流線和乙醇濃度。

將仿真與實驗相結合，實現更快、更好的設計

通過仿真，Barakat 和 Hancock 能夠測試不同微流體混沌混合器設計的有效性，并優化通常緩慢的微流體混合過程。理想情況下，在制造實驗混合器原型之前 就開始進行這種仿真和設計優化。在制造原型之前進行仿真，可以提高原型良好運行的可能性，減少需要制造的原型數量，從而節省時間和成本。在文中介紹的工作中，仿真表明環形混合器的設計應包括更多的環，以及混合性能如何取決于流速和雷諾數等運行參數流。為了生產 LNP 和 mRNA 疫苗，需要在實驗室進行實驗來測試每種混合器設計中形成的 LNP 的尺寸和分布，然后將其與混合指標相關聯。

就像 Barakat 和 Hancock 在整個演講中所展示的那樣，流動、傳遞和 LNP 自組裝的多物理場仿真可用于：

• 增強對 LNP 形成的流動和動力學限制的理解
• 將關鍵成果與系統參數相關聯
• 對有意義的中間量和最終量（如混合時間和種群數量分布）進行定量估算
• 減少昂貴的實驗室實驗次數，提高每次實驗的價值
• 指導迭代路徑設計，提供新的藥物開發路徑

“我們已經證明，在微流控設備中可以實現有效的混合。仿真可以幫助調整設計參數，在制造和測試之前優化性能?！盚ancock 說道。

下一步

觀看 Veryst Engineering 的主題演講視頻，了解有關微流控設備中混沌混合的更多信息，查看他們如何模擬 mRNA 疫苗生產過程中的耦合混合和 LNP 自組裝。

關于 Veryst 工程公司

Veryst Engineering, LLC 在技術與制造的交界處提供優質的工程咨詢服務。他們的目標是成為多物理場仿真、材料科學、失效分析以及材料建模和測試領域的全球翹楚，并經常將其應用于非線性、耦合問題，從而使客戶能夠為其客戶提供最好的產品。他們幫助世界各地的客戶優化產品設計、改進制造工藝和診斷產品問題。