基于脂質的藥物遞送系統在遞送小分子、蛋白質和核酸方面具有廣泛應用。特別是LNPs，在mRNA遞送中占據主導地位，這得益于mRNA-LNP 大流行相關疫苗的成功應用。然而，mRNA-LNP的制造過程復雜且對工藝敏感，需要系統化的工藝開發方法，包括數學建模和統計分析，以確保從實驗室規模到工業規模的可擴展性和產品質量。本文研究了mRNA-LNP制造過程中切向流過濾（TFF）和無菌過濾的工藝開發，重點探討了膜性能及過濾模型。通過測試不同TFF膜材料和工藝參數，優化了TFF過程以提高mRNA-LNP的濃度，并分析了無菌過濾過程中過濾模型的應用，為大規模生產提供了設計空間。本研究結果有助于開發穩健且可擴展的mRNA-LNP制造工藝，確保產品質量。
材料與方法
本研究使用由Providence Therapeutics Holdings Inc.提供的編碼SARS-CoV-2刺突蛋白的mRNA，濃度為2 mg/mL。脂質混合物包括一種專有離子化脂質、膽固醇、DSPC、DMG-PEG2000等，均購自商業供應商。
mRNA和脂質溶液通過微流控快速混合，形成LNPs，隨后通過PBS稀釋穩定。
使用Sartorius Stedim的Sartoflow SMART TFF系統，測試了Hydrosart ECO和Ultracel兩種TFF膜材料。在不同流量下進行TMP實驗，評估膜性能。
使用Sartorius Stedim的Sartoscale 25濾器進行無菌過濾實驗，評估不同濾膜材料和預濾器孔徑對濾器容量的影響。
1.5 動態光散射（DLS）與Ribogreen分析：
使用DLS分析LNPs的粒徑和分散性指數（PDI），通過Ribogreen分析測定mRNA的封裝效率和總濃度。
使用Huh-7細胞進行體外轉染實驗，通過ELISA分析轉染后細胞中大流行相關疫苗刺突蛋白的表達水平。
結果與討論
2.1 TMP實驗與膜性能：
在切向流過濾（TFF）過程中，研究評估了Hydrosart ECO和Ultracel兩種膜材料在不同流量（3, 4, 和5 L/m2/min）下的跨膜壓（TMP）實驗。實驗結果顯示，Hydrosart ECO膜在所有測試流量下均表現出更高的滲透通量和更短的工藝時間。具體而言，在5 L/m2/min的流量下，Hydrosart ECO膜的滲透通量約為100 LMH，而Ultracel膜的滲透通量約為80 LMH，表明Hydrosart ECO膜在mRNA-LNP過濾中具有更高的效率和性能。此外，歸一化水滲透性（NWP）測試顯示，兩種膜在使用前后NWP值無明顯差異，證實了膜的完整性和有效清潔。然而，Hydrosart ECO膜在過程中的實際表現優于Ultracel膜，這可能與其較低的LNP-膜相互作用有關，從而減少了膜污染和吸附現象。
Fig. 1. TMP excursion experiments at various feed fluxes using (A) Hydrosart ECO and (B) Ultracel membranes. (C) Normalized water permeability (NWP) at 22 ?C before and after TFF processing. (D) Spike protein expression after Huh-7 cells transfection with mRNA-LNPs, fitted with a logistic 4-parameter function. (E) Particle size (nm) and PDI, and (F) encapsulation efficiency of post-TFF samples processed with different membranes.
2.2 過濾模型評估：
為了描述mRNA-LNP過濾過程中的通量衰減，研究評估了四種常見的過濾模型：全阻塞模型、逐漸堵塞模型、中間阻塞模型和濾餅過濾模型。通過將實驗數據與這些模型進行擬合，發現逐漸堵塞模型提供了最佳擬合效果，其Akaike信息準則（AIC）值最小，R2值最高。逐漸堵塞模型表明，隨著過濾的進行，顆粒逐漸在膜孔內積累，導致通量逐漸下降，這與研究在實驗中觀察到的現象一致。相比之下，全阻塞模型和濾餅過濾模型未能準確描述mRNA-LNP過濾過程中的通量衰減行為。Fig. 2. Volumetric throughput (v) versus filtration time (t) fitting models for mRNA LNPs filtration using Sartopore 2 XLG filter under constant pressure
2.3 濾器篩選：
在無菌過濾過程中，研究測試了不同濾膜材料和預濾器孔徑對濾器容量的影響。實驗結果顯示，預濾器孔徑對濾器容量有顯著影響。具體而言，使用較大孔徑（如0.8 µm）的預濾器可以顯著提高濾器容量。例如，在相同條件下，使用0.8 µm預濾器的Sartopore 2 XLG濾器相比使用0.45 µm預濾器的濾器，濾器容量提高了約10倍。此外，通過SEM觀察濾膜表面，研究發現較小孔徑的預濾器在過濾后膜孔堵塞更為嚴重，這進一步證實了預濾器孔徑對濾器容量的影響。
在重復過濾實驗中，研究使用之前已通過Sartopore 2 XLG濾器過濾的產品進行再次過濾，發現濾器容量進一步提高，表明大部分污染物已在第一次過濾中被去除。這一發現對于優化無菌過濾工藝具有重要意義，因為它表明在實際生產中，可以通過增加預過濾步驟來提高濾器使用效率，從而降低生產成本。
Table 2 Filter capacity (vmax) and Initial flux (J0) for various filter types at different filtration stages. 1.0 mg/mL mRNA-LNPs filtration was performed at a constant pressure of 68.9 kPa. Refiltration experiments were conducted using a product previously filtered through a Sartopore 2 XLG filterFig. 3. Plot of volumetric throughput (v) versus filtration time (t) during mRNA-LNP filtration, comparing different filter types and filtration stages. Solid lines represent gradual plugging model fits to the experimental data. Refiltration experiments were conducted using product previously filtered through a Sartopore 2 XLG filter.Fig. 4. SEM images of Sartoscale 25 filters used for filtering 1 mg/mL mRNA-LNP drug product: Outlet side of the Sartopore 2 XLG 0.8 µm layer (A) before and (B) after use; outlet side of the Sartopore 2 0.45 µm layer (C) before and (D) after use; inlet side of the Sartopore 2 XLG 0.2 µm layer (E) before and (F) after use; inlet side of the Sartopore 0.2 µm layer (G) before and (H) after use.研究研究了不同mRNA-LNP濃度（0.25, 0.5, 1.0, 和1.5 mg/mL）對過濾過程的影響。實驗結果顯示，隨著mRNA-LNP濃度的增加，濾器容量顯著降低。具體而言，在137.9 kPa的恒定壓力下，1.5 mg/mL的mRNA-LNP溶液的濾器容量僅為1.91 L/m2，而0.25 mg/mL的溶液濾器容量則高達14.4 L/m2。這可能是由于高濃度溶液具有較高的粘度，增加了過濾過程中的阻力。此外，隨著濃度的增加，初始過濾通量也顯著降低，進一步證實了粘度對過濾過程的影響。Fig. 5. Filtrate flux (J) versus volumetric throughput (v) of mRNA LNP with various mRNA concentrations using Sartopore 2 XLG under a constant pressure of 137.9 kPa.研究研究了不同過濾壓力（34.5, 68.9, 103.4, 和137.9 kPa）對濾器容量的影響。實驗結果顯示，隨著過濾壓力的增加，濾器容量先顯著增加后趨于平穩。具體而言，在103.4 kPa和137.9 kPa的壓力下，濾器容量無顯著差異。這一發現表明，在實際生產中，通過增加過濾壓力可以在一定程度上提高濾器容量，但過高的壓力可能不會帶來額外的收益。此外，研究還發現初始過濾通量與過濾壓力呈線性關系，符合達西定律。Fig. 6. (A) Particle size distribution graphs by intensity of post-filtration samples at different filtration pressure (B) Contour plot of estimated volumetric throughput (v) as a function of filtration time (t) and filtration pressure (p). The gradual plugging model was extended to v = f (t, p) based on the experimental data, incorporating the effect of filtration pressure.通過Cryo-TEM觀察優化后的工藝參數生產的mRNA-LNP，研究發現粒子呈球形，具有均勻的粒徑分布（約50 nm）和清晰的電子致密核心。此外，部分粒子表面觀察到小的月牙形突起（blebs），這可能與mRNA與脂質的部分性結合有關。然而，這些blebs并未對mRNA-LNP的體外轉染效率產生顯著影響（未展示數據）。DLS分析顯示，優化后的mRNA-LNP的Z平均粒徑為79.9 nm，PDI為0.072，表明粒子具有較高的均勻性。Ribogreen分析顯示，mRNA的封裝效率高于95%，表明在優化后的工藝參數下，mRNA得到了有效的封裝和保護。最終產品的這些特性證明了優化后的工藝參數能夠生產出高質量的mRNA-LNP。Fig. 7. Cryogenic transmission electronic microscopy (Cryo-TEM) images of mRNA-LNPs after one freeze–thaw cycle (A and B). A few particles show bleb structures (black arrows).結論
本研究系統地評估了mRNA-LNP制造中TFF和無菌過濾的工藝開發，發現Hydrosart ECO膜在TFF過程中表現出色，逐漸堵塞模型最匹配描述過濾過程。通過優化預濾器孔徑和過濾壓力，顯著提高了濾器容量和過濾效率。本研究結果為mRNA-LNP的大規模生產提供了有價值的見解，有助于開發穩健且可擴展的制造工藝。參考文獻：Wu, Wenjun, et al. "Process development of tangential flow filtration and sterile filtration for manufacturing of mRNA-lipid nanoparticles: A study on membrane performance and filtration modeling." International Journal of Pharmaceutics (2025): 125520.
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