Characterization and quantification of lipid nanoparticle components and their impurities/degradants using an LC-HRAM MS platform

Význam tématu

Současný rozvoj mRNA vakcín a dalších biologických terapií staví lipidové nanopartikly (LNP) do popředí farmaceutického výzkumu. Pro zajištění bezpečnosti, účinnosti a stability formulací je klíčové přesně charakterizovat složení LNP, sledovat přítomnost nečistot a cestu biodegradace lipidových složek in vivo. Vysoce selektivní a citlivé analytické metody spojení kapalinové chromatografie s vysokým rozlišením přesné hmotnostní spektrometrie (LC-HRAM MS/MS) umožňují tyto nároky splnit.

Cíle a přehled studie

Studie navrhla jednotný analytický přístup ke komplexnímu zkoumání pěti běžně používaných lipidových komponent formulací LNP a jejich degradantů:

• potvrzení identity a struktury ionizovatelných lipidů, PEG-lipidů, fosfolipidů a cholesterolu
• detekce a kvantifikace nízkomolekulárních degradantů a oxidovaných produktů
• současné profilování neznámých metabolitů a cílená kvantifikace lipidů v biologické matrici (býčí jaterní lipidový extrakt)

Metodika a použitá instrumentace

Vzorky standardů a matrix byly separovány na Accucore C30 kolonce (2,1×150 mm, 2,6 µm) v UHPLC systému Vanquish Horizon. Mobilní fáze A tvořil ACN/H2O 60:40 s 10 mM NH4 formiát a 0,1 % difluoroctové kyseliny, fáze B pak IPA/ACN 90:10 se stejnými přísadami. Gradient probíhal při 50 °C a průtoku 0,35 mL/min.

Použitá instrumentace

• UHPLC Thermo Scientific Vanquish Horizon
• Kolonka Thermo Scientific Accucore C30
• Orbitrap Exploris 120 MS s Chromeleon 7.2 a Exploris Series 3.1 softwarem
• Compound Discoverer 3.3 a LipidSearch 5.0 pro zpracování dat

Hlavní výsledky a diskuse

Rychlá separace na C30 kolonce a přesná hmotnost MS umožnila detekci lipidu PEG-2000 s chybou <3 ppm a potvrzení polydisperzity řetězců od n=34 do 54. MS/MS fragmentace potvrdila strukturní specifika fosfolipidů a ionizovatelných lipidů. Nízkomolekulární oxidované degradanty DOTMA (<0,1 % relativně) byly rozlišeny a potvrzeny kvalitním MS/MS spektrem. Zavedení cíleného MS/MS zlepšilo limit detekce PEG-lipidů na 0,5 pg na kolonce a umožnilo kvantifikaci přes lineární rozsah čtyř řádů (R2=0,9995). V matrixových vzorcích byla současně identifikována řada endogenních lipidů a oxidovaných metabolitů za pomoci metabolitického workflow FISh scoring v Compound Discoverer 3.3.

Přínosy a praktické využití metody

• Platformní LC-HRAM MS/MS postup vhodný pro fáze vývoje i kontrolu kvality LNP
• Schopnost kombinačního sledování neznámých metabolitů a cílené kvantifikace s minimálním objemem vzorku
• Vysoká citlivost a přesnost pro stanovení stopových degradantů

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se další rozvoj multiplexních akvizičních režimů a zrychlení analýzy ve vysokém průtoku. Integrace metod strojového učení pro pokročilou de-novo identifikaci lipidů a degradantů by mohla dále zvýšit automatizaci a spolehlivost lipidomických analýz. Vývoj biodegradovatelných lipidů a optimalizace formulací pro cílené doručení si vyžádá pokračující rozvoj citlivých metod pro in vivo DMPK studie.

Závěr

Vyvinutá LC-HRAM MS/MS platforma s Orbitrap Exploris 120 a Vanquish Horizon poskytuje komplexní řešení pro charakterizaci složek LNP, jejich nečistot a degradantů, a to jak ve standardních, tak v biologických matricích. Metoda umožňuje simultánní profilování neznámých metabolitů a cílenou kvantifikaci s vysokou citlivostí, čímž výrazně zrychluje vývoj a kontrolu kvality lipidových nanopartikul.

Reference

1. Tenchov R Bird R Curtze AE Zho Q Landscape of research diversity and advancement lipid nanoparticles from liposomes to mRNA vaccine delivery ACS Nano 2021
2. Kowalski PS Rudra A Miao L Anderson DG Advances in technologies for therapeutic mRNA delivery Mol Ther 2019
3. Aldosari BN Alfagih IM Almurshedi AS Lipid nanoparticles as delivery systems for RNA Based vaccines Pharmaceutics 2021
4. Miao L Lin J Huang Y Li L Delcassian D Ge Y Shi Y Anderson DG Synergistic lipid compositions for albumin receptor mediated delivery of mRNA to the liver Nat Commun 2020
5. Maier MA Jayaraman M Matsuda S et al Biodegradable lipids enabling rapidly eliminated lipid nanoparticles for systemic delivery of RNAi Mol Ther 2013