Vì sao kích thước hạt nano lipid quyết định RNA đi đâu trong cơ thể?

Một mẻ hạt nano lipid có thể bắt đầu từ hai dòng chất lỏng: một dòng chứa lipid trong ethanol, dòng kia chứa RNA trong dung dịch đệm axit. Chỉ một thay đổi nhỏ ở cách hai dòng này gặp nhau cũng có thể làm hạt lớn hơn hoặc nhỏ hơn. Kỹ thuật mới của MIT khai thác chính khoảng thời gian giữa hai lần trộn để kiểm soát quá trình đó, thay vì chủ yếu dựa vào thử-sai. [1]

Điều này quan trọng vì hạt nano lipid không chỉ là lớp vỏ bảo vệ RNA. Kích thước của hạt ảnh hưởng đến nơi nó có xu hướng đi tới trong cơ thể, còn hình dạng là một đặc tính khác có thể được điều chỉnh khi phát triển liệu pháp. Hiểu được cách tạo ra từng loại hạt giúp các nhà nghiên cứu thử nghiệm có mục tiêu hơn. [1]

RNA cần một phương tiện vận chuyển

RNA thông tin, hay mRNA, mang chỉ dẫn để tế bào tạo ra một loại protein nhất định. Trong vaccine mRNA, chỉ dẫn này giúp tế bào tạo một phiên bản vô hại của protein virus, từ đó kích thích đáp ứng miễn dịch. Nhưng nếu được đưa vào cơ thể một mình, mRNA nhanh chóng bị phân hủy. Nó cần một phương tiện vận chuyển có thể đưa phân tử đến những tế bào thích hợp. [1]

Hạt nano lipid, thường viết tắt là LNP, đảm nhiệm vai trò đóng gói đó. Một LNP thường gồm bốn thành phần: lipid có thể ion hóa, phospholipid, cholesterol và lipid gắn với polyethylene glycol, hay PEG. Mỗi thành phần góp phần tạo nên cấu trúc và độ ổn định của hạt, nhưng bài toán của quy trình sản xuất còn nằm ở việc khiến các thành phần này tự tập hợp thành những hạt có kích thước và hình dạng mong muốn. [1]

Vì sao cách trộn thông thường khó kiểm soát?

Trong quy trình thông thường, hai dòng chất lỏng được trộn ở tốc độ cao. Dòng thứ nhất chứa các phân tử lipid lơ lửng trong ethanol; dòng thứ hai chứa mRNA hòa tan trong dung dịch đệm axit. Hai dòng không chảy vào với lưu lượng bằng nhau: lượng dung dịch chứa mRNA lớn hơn khoảng ba lần lượng dung dịch lipid. Tỷ lệ này giúp hình thành LNP có chứa mRNA, nhưng không cho phép điều khiển chính xác kích thước và hình dạng của chúng. [1]

Khi đó, người phát triển một liệu pháp có thể phải thay đổi nhiều điều kiện rồi quan sát kết quả, lặp lại cho đến khi tìm được mẻ hạt phù hợp. Vấn đề không chỉ là tạo ra hạt, mà là biết điều kiện nào tạo ra hạt có đặc tính cụ thể. Nếu thiếu mối liên hệ rõ ràng giữa đầu vào và kết quả, việc so sánh các công thức khác nhau trở nên chậm và khó mở rộng. [1]

Khoảng chờ biến thành nút điều khiển

MIT chia quá trình trộn thành hai bước. Ở bước đầu, RNA và lipid được trộn với lưu lượng bằng nhau. Sau một khoảng trễ ngắn, thêm dung dịch đệm vào ở bước thứ hai. Lần bổ sung này làm quá trình phát triển của hạt dừng lại. Vì vậy, thời gian từ máy trộn thứ nhất đến máy trộn thứ hai, gọi là thời gian lưu, trở thành một biến số có thể điều chỉnh. [1]

Thời gian lưu dài cho các hạt thêm thời gian phát triển nên tạo ra hạt lớn hơn. Thời gian lưu ngắn giữ hạt ở kích thước nhỏ hơn. Có thể hình dung đây như việc chặn một quá trình đang diễn ra tại những thời điểm khác nhau: chặn sớm sẽ giữ lại trạng thái nhỏ, còn chặn muộn cho phép cấu trúc phát triển thêm. Điểm quan trọng là kích thước được thay đổi bằng thời gian và cách trộn, trong khi thành phần của LNP không nhất thiết phải thay đổi. [1]

Hình dạng cũng có thể được điều chỉnh

Nhóm nghiên cứu còn thay đổi nồng độ của dung dịch đệm được đưa vào ở bước thứ hai. Với điều chỉnh này, các hạt có thể chuyển từ dạng cầu sang dạng kéo dài, được mô tả là giống quả bơ. Như vậy, quy trình hai bước không chỉ cung cấp một nút điều khiển cho kích thước; thành phần dung dịch ở lần trộn sau cũng mở ra cách tác động đến hình dạng. [1]

Kích thước và hình dạng không nên bị xem là những chi tiết trang trí của hạt. Các nhà nghiên cứu muốn tạo nhiều loại LNP để kiểm tra loại nào phù hợp với một ứng dụng cụ thể. Một hạt có kích thước khoảng 150 nanomet có thể hành xử rất khác một hạt khoảng 70 nanomet dù những yếu tố khác giống nhau. Nói rộng hơn, việc điều chỉnh các đặc tính này có thể hỗ trợ mục tiêu hướng RNA đến những cơ quan hoặc mô khác nhau, nhưng hiệu quả cuối cùng vẫn phải được đánh giá qua các thử nghiệm riêng. [1]

Từ thao tác thủ công đến hệ thống tự động

Trong công trình mới, MIT tự động hóa quy trình trộn hai bước và tích hợp một thiết bị tán xạ ánh sáng động có bán sẵn để đo kích thước hạt khi chúng hình thành. Người dùng có thể đặt kích thước mục tiêu; hệ thống tạo hạt, đo kết quả rồi điều chỉnh thời gian lưu và các yếu tố liên quan nếu kích thước chưa đạt. Việc đo hình dạng vẫn cần thực hiện bên ngoài hệ thống tự động. [1]

Các phép đo nhanh hơn cho phép nhóm nghiên cứu khảo sát nhiều tổ hợp đầu vào trong thời gian ngắn hơn. Từ dữ liệu đó, họ huấn luyện một mô hình học máy để dự đoán tổ hợp điều kiện có thể tạo ra kích thước hoặc hình dạng mong muốn. Đây là bước chuyển từ việc lần lượt thử các công thức sang xây dựng bản đồ giữa điều kiện sản xuất và đặc tính của hạt. [1]

Ý nghĩa đối với liệu pháp RNA

Giá trị của kỹ thuật nằm ở khả năng biến một quy trình khó kiểm soát thành một quy trình có thể đo, điều chỉnh và lặp lại. Các nhà phát triển có thể tạo những LNP khác nhau để kiểm tra cho từng mục tiêu, thay vì chỉ thay đổi thành phần rồi chờ xem kết quả. Tự động hóa cũng giúp giảm phần thao tác thủ công trong giai đoạn phát triển quy trình. [1]

Tuy vậy, tạo đúng kích thước hay hình dạng mới chỉ là một bước trong hành trình phát triển liệu pháp. Một hạt được sản xuất theo mục tiêu vẫn cần được kiểm tra xem nó vận chuyển RNA ra sao và hoạt động thế nào trong ứng dụng cụ thể. Điều kỹ thuật này thay đổi trước hết là khả năng đặt câu hỏi chính xác hơn: muốn hạt nhỏ hay lớn, dạng cầu hay kéo dài, và điều kiện nào tạo ra nó một cách ổn định. [1]