Сравнение технологий ультрафильтрации LNP-мРНК: кассета TFF против фильтра с полыми волокнами — практический пример

В биофармацевтике липидные наночастицы (LNP) служат «золотым носителем» для доставки лекарственных препаратов на основе нуклеиновых кислот. Эффективность их производства и качество продукции напрямую влияют на эффективность и безопасность лекарственных препаратов. Однако крупномасштабное производство LNP сталкивается с основной проблемой: достижение высокой чистоты и обмен буфера без ущерба для их структурной целостности. Эта задача, известная как тангенциальная фильтрация (TFF), является ключевым этапом в крупномасштабном производстве LNP. Кассета TFF (плоская ультрафильтрационная мембрана) и половолоконный модуль являются двумя основными технологиями TFF, как же сделать выбор?

В этой статье будут представлены критерии выбора и применения в процессе ультрафильтрации LNP-мРНК, а также рассмотрены эффекты применения ультрафильтрации с нескольких точек зрения, включая два различных типа фильтров: ультрафильтрационную кассету и половолоконный фильтр, несколько партий жидкости и возможность повторного использования двух фильтров.

При фильтрации с тангенциальным потоком (TFF) подаваемый поток течет параллельно поверхности мембраны, что позволяет непрерывно удалять удерживаемые частицы и предотвращать засорение мембраны. Этот механизм перекрестного потока обеспечивает постоянную эффективность фильтрации и продлевает срок службы мембраны.

К распространенным материалам ультрафильтрационных мембран (UF) относятся полиэфирсульфон (PES) и регенерированная целлюлоза (RC). Оба типа мембран отличаются высокой степенью удержания, высоким потоком и простотой очистки. При этом RC-мембраны по своей природе гидрофильны, обладают меньшим связыванием белков и более высокой устойчивостью к обрастанию по сравнению с PES-мембранами. Эти свойства делают RC-мембраны особенно подходящими для обработки высококонцентрированных образцов. Кроме того, RC-мембраны демонстрируют лучшую совместимость с органическими растворителями.

Стандартные ультрафильтрационные фильтры выпускаются в основном в двух форматах: кассеты с плоскими фильтрующими листами и фильтрующие картриджи (модули) из полых волокон, каждый из которых имеет свою конструкцию. Кассеты с плоскими листами состоят из нескольких слоев мембран, образуя многослойную систему фильтрации. Эффективная площадь фильтрации увеличивается с ростом числа мембранных слоев. Для улучшения переноса растворителя между слоями мембраны устанавливаются сетки высокой плотности, способствующие турбулентному тангенциальному потоку через поверхность мембраны. Такая турбулентность эффективно задерживает образование гелевого слоя, поддерживая оптимальную эффективность фильтрации.

Структура TFF кассеты для ультрафильтрации с плоскими листами

Половолоконные модули состоят из множества тонких волокон, расположенных параллельно. Во время работы жидкость течет в осевом направлении через просвет каждого волокна, а фильтрация происходит за счет радиального трансмембранного проникновения. Благодаря своей конструкции с открытым каналом полые волокна создают относительно низкие сдвиговые усилия. Интенсивность сдвига в основном соответствует динамике ламинарного потока в просвете волокна и может количественно контролироваться путем регулировки скорости потока (положительная корреляция) и выбора соответствующего внутреннего диаметра волокна (отрицательная корреляция). Это делает фильтры из полых волокон особенно подходящими для обработки чувствительных к сдвигу продуктов.

В практическом применении фильтры из полых волокон и кассеты с плоскими листами имеют свои явные преимущества, обусловленные их конструктивными различиями.

Фильтры из полых волокон, характеризующиеся низкой скоростью потока, особенно выгодны в таких процессах, как перфузионная культура клеток, удержание клеток e.Coli и осветление лизата, а также концентрация вирусных частиц. Их конструкция с открытыми каналами не только минимизирует сопротивление потоку, но и поддерживает стабильный поток при работе с материалами с высоким содержанием твердых частиц или вязкими материалами.

В отличие от них, кассеты с плоскими листами демонстрируют более высокую эффективность массообмена благодаря своей многослойной структуре, что приводит к более высокой скорости потока. Это делает их особенно подходящими для обработки материалов, устойчивых к сдвигу. В результате они широко применяются в таких процессах, как очистка антител, концентрация рекомбинантных белков, производство вакцин и очистка продуктов, полученных из плазмы.

Естественно, при выборе оптимальной стратегии ультрафильтрации необходимо учитывать множество факторов, включая характеристики продукта, масштабы производства и требования к качеству. Поэтому выбор материала ультрафильтрационной мембраны и формата фильтра должен осуществляться на основе всестороннего экспериментального сравнения и многокритериальной оценки, чтобы повысить общую эффективность производства биопрепаратов.

Учитывая уникальные характеристики липидных наночастиц (LNP), в данном случае сравниваются характеристики плоских кассет из регенерированной целлюлозы (RC) и полых волокон из модифицированного полиэфирсульфона (mPES) при ультрафильтрации mRNA-LNP. Оценка также включает проверку стабильности партий и возможности повторного использования обоих типов фильтров.

Условия испытания:

1. Использовались две кассеты для ультрафильтрации из RC (регенерированной целлюлозы) с MWCO 300 кДа и общей площадью мембраны 0,11 м² каждая (модель: UF-CLA0300010P). Расход подаваемой жидкости поддерживался на уровне 5 л/мин/м² (LMM) при трансмембранном давлении (TMP) ≤ 5 psi.
2. Использовался один фильтр с полыми волокнами из mPES (модифицированного полиэфирсульфона) с MWCO 500 кДа, внутренним диаметром 0,5 мм и общей площадью мембраны 0,24 м² (модель: HFEPP0500530P). Расход подаваемой жидкости также поддерживался на уровне 5 LMM при TMP ≤ 5 psi.

Схема применения ультрафильтрационной кассеты / Схема применения половолоконного фильтра

Таблица 1: Сводка результатов измерения потока

Таблица 2. Результаты тестирования.

Судя по приведенным выше данным, вариативность результатов от партии к партии остаются относительно стабильными. Влияние на ключевые показатели LNP, такие как размер частиц, PDI и эффективность инкапсуляции, минимально. Более того, чистота и целостность мРНК демонстрируют небольшое улучшение после ультрафильтрации, что указывает на определенную степень очищающего эффекта на состав.

Среди различных типов ультрафильтрационных фильтров кассеты для ультрафильтрации RC демонстрируют явное преимущество с точки зрения потока, предлагая значительные преимущества в сокращении времени процесса и необходимой площади мембраны. При соответствующих условиях процесса кассеты RC оказывают минимальное влияние на LNP. Примечательно, что на ранних этапах разработки рецептуры LNP, когда система может быть еще относительно нестабильной, мембраны RC предлагают дополнительные преимущества с точки зрения более низкой адсорбции липидов и меньшего воздействия на систему материалов.

С другой стороны, картриджи с полыми волокнами имеют конструкцию с открытым каналом, что приводит к относительно низкому сдвиговому напряжению, но их поток обычно немного ниже. Поэтому с точки зрения общей производительности в процессах очистки LNP-мРНК кассеты UF RC представляют собой более выгодный вариант и рекомендуются в качестве предпочтительного выбора фильтра.

В области очистки LNP-мРНК как ультрафильтрационные кассеты, так и половолоконные фильтры представляют собой жизнеспособные технические подходы, каждый из которых имеет свои преимущества. Пользователи могут гибко выбирать подходящее решение в зависимости от характеристик своих материалов.

Компания Cobetter и Alianbio, опираясь на свой обширный технический опыт, способны точно согласовать размер пор мембраны с параметрами процесса, чтобы не только эффективно очищать LNP, но и сохранять важные качественные характеристики, такие как однородность размера частиц (CV < 5%), эффективность инкапсуляции и целостность мРНК. Это обеспечивает надежный процесс ультрафильтрации от лабораторного масштаба до производства LNP-препаратов в соответствии с требованиями GMP.