High Resolution Characterization of Lipid Nanoparticles Using the Xevo™ Charge Detection Mass Spectrometry (CDMS) Instrument - Single Particle Mass Analysis of Intact LNP-mRNA Formulations

Význam tématu

Charakterizace lipidových nanočástic (LNP) je kritická pro vývoj a zajištění kvality mRNA vakcín a terapeutik. LNP vykazují širokou polydisperzitu, variabilní složení a vysoké molekulové hmotnosti, což omezuje výpovědní hodnotu běžných ensemble metod založených na průměrování. Metody, které dokáží měřit jednotlivé částice a přímo určovat jejich hmotnost, přinášejí zásadní informace o distribuci náplně, heterogenitě a subpopulacích, které ovlivňují účinnost a stabilitu formulací.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem práce bylo demonstrovat použití komerčního přístroje Xevo Charge Detection Mass Spectrometry (CDMS) pro analýzu intaktních LNP-mRNA formulací na úrovni jednotlivých částic. Autoři představují aplikaci CDMS na reálném referenčním vzorku (COMIRNATY) a ukazují, jak metoda odhaluje multimodální rozdělení hmotností a podpopulace, které jsou skryté při použití konvenčních ensemble technik.

Použitá metodika a instrumentace

Vzor: komerční formulace COMIRNATY (Pfizer–BioNTech, 2025–2026 formulace). Příprava: výměna pufru do 20 mM amonného acetátu (pH 7,4) pomocí kompaktních dialyzačních zařízení při 4 °C po dobu 15 minut. Ionizace: nano-elektrospray (nESI) v pozitivním režimu. Data: akvizice ve full-scan režimu.

Instrumentace (samostatná sekce):

• Xevo CDMS Instrument (ELIT-based charge detection systém).
• Ionizace: nano-electrospray (nESI), pozitivní mód.
• MS parametry: kapilární napětí 1,4–1,8 kV; cone voltage 40 V; trapping duration 100 ms; doba akvizice 60 minut.
• Softwarové zpracování: waters_connect Informatics Platform verze 4.2.0 s CDMS Toolkit.

Hlavní výsledky a diskuse

CDMS umožnila přímé simultánní měření m/z a náboje (z) pro každou detekovanou částici, což vedlo k výpočtu skutečné hmotnosti jednotlivých LNP bez potřeby dekonvoluce či předpokladů o nabitostních stavech. Analýza COMIRNATY odhalila:

• Multimodální rozdělení hmotností s několika výraznými vrcholy, indikující koexistenci subpopulací s odlišným zatížením mRNA nebo odlišnou lipidovou výplní.
• Široké rozmezí nabití a m/z signálů, které odráží reálnou heterogenitu velikosti, náplně mRNA (včetně populací s nízkou až nulovou náplní) a různých strukturálních konfigurací částic.
• Schopnost zachytit nízce zastoupené „ramena“ a těžké nebo lehké podpopulace, jež by byly při ensemble měřeních potlačeny nebo smíšené v průměru.

Autoři zdůrazňují, že CDMS přináší jednoznačný, vysoko‑rozlišovací pohled na distribuční charakteristiky LNP a umožňuje porovnání šarží či procesních stavů bez komplikované datové dekonvoluce. Rovněž se odkazují na předchozí práce potvrzující stabilitu LNP v prostředí vakua CDMS a dobrou korelaci s mikroskopickými měřeními velikosti.

Přínosy a praktické využití metody

CDMS nabízí několik konkrétních výhod pro vývoj a kontrolu LNP formulací:

• Skutečné single-particle hmotnosti: přesné rozlišení variability mezi jednotlivými částicemi bez modelových předpokladů.
• Identifikace subpopulací: odhalení minoritních frakcí s odlišnou náplní nebo kompozicí, relevantních pro účinnost a bezpečnost.
• Rychlé a bez-značkové měření: vhodné pro screening formulací, optimalizaci procesů a porovnání šarží v rámci QC strategie.
• Doplňková hodnota: CDMS má silnou komplementaritu s DLS, FFF‑MALS, cryo‑EM a dalšími fyzikálně‑chemickými metodami.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje a uplatnění CDMS v LNP oblasti zahrnují:

• Rozšíření throughputu a automatizace akvizice pro rutinní screening formulací a vyšší počet vzorků.
• Integrace s dalšími ortogonálními technikami (např. cryo‑EM, FFF‑MALS) pro komplexní charakterizaci struktury a kompozice částic.
• Vývoj standardizovaných referencí a validačních postupů umožňujících širší adopci v regulovaném prostředí.
• Pokročilé analytické workflow a datová analytika pro kvantitativní hodnocení zatížení mRNA, dynamiky stability a dopadů výrobních parametrů.

Závěr

Studie demonstruje, že komerční Xevo CDMS přístroj dokáže poskytnout podstatně bohatší a detailnější informace o LNP‑mRNA formulacích než tradiční ensemble metody. Přímé měření hmotnosti jednotlivých částic odhaluje multimodální rozdělení, subpopulace a nízce zastoupené frakce, což má přímý význam pro vývoj formulací, optimalizaci procesů a řízení jakosti. Xevo CDMS je tak perspektivním nástrojem pro analytickou podporu LNP programů.

Reference

• Hu C., Bai Y., Liu J., Wang Y., He Q., Zhang X., Liang Z. Research progress on the quality control of mRNA vaccines. Expert Review of Vaccines. 2024;23(1):570–583.
• Jarrold MF. Applications of charge detection mass spectrometry in Molecular Biology and Biotechnology. Chemical Reviews. 2021;122(8):7415–7441.
• Johann C. Lipid Nanoparticle and Liposome Characterization with FFF-MALS-DLS, WP2608, Wyatt Technology.
• Miller ZM, Narsineni L, Li YX, Gardner MR, Torpey JW, Williams ER. Single particle charge detection mass spectrometry enables molecular characterization of lipid nanoparticles and mRNA packaging. Journal of Controlled Release. 2025;384:113856.
• Guimaraes PPG, Zhang R, Spektor R, et al. Ionizable lipid nanoparticles encapsulating barcoded mRNA for accelerated in vivo delivery screening. Journal of Controlled Release. 2019;316:404–417.