Paving the Road for RNA Therapeutics: Focus on Lipid-based Nanocarriers for mRNA Delivery

Abstract

As terapias de RNA compreendem uma categoria de fármacos em rápida expansão, que prometem desafiar o padrão de tratamento para muitas doenças e tornar o termo “não-tratável” obsoleto. Isto é o resultado das diferentes funções do RNA que, para além de atuar como mensageiro de informação genética, funciona também como um regulador essencial e específico de várias etapas da expressão génica. A capacidade de alterar facilmente a sequência de RNA para tratamentos personalizados ou para a adaptação a um agente infecioso, é, também, crucial para o sucesso das terapias baseadas em RNA.O RNA apresenta um amplo potencial para a prevenção ou tratamento de diferentes indicações terapêuticas, incluindo doenças infeciosas, cancro e doenças genéticas. No entanto, as moléculas de RNA livres possuem características físico-químicas desfavoráveis, que dificultam a sua entrega intracelular. As moléculas de RNA são, ainda, intrinsecamente instáveis, propensas à degradação por nucleases e podem ser eliminadas rapidamente da circulação sanguínea e ativar o sistema imunológico.Consequentemente, a aplicação clínica das terapias baseadas em RNA é significativamente dependente do desenvolvimento de sistemas de entrega eficazes, que modelem os atributos desfavoráveis do RNA. Para se obterem terapias eficazes baseadas nesta tecnologia, os sistemas de entrega devem possuir características que permitam aprisionamento/proteção eficiente, libertação controlada e/ou entrega direcionada do RNA. Os vetores virais são uma ferramenta promissora para a entrega eficaz de material genético nas células, uma vez que tiram vantagem da capacidade natural dos vírus de transduzir células. No entanto, estes têm associadas diversas limitações, incluindo questões de segurança (alta imunogenicidade), capacidade limitada de empacotamento de material genético e diferentes desafios de produção. Já os vetores não virais têm o potencial de colmatar estas limitações. De facto, durante a última década, sistemas de entrega não virais desenvolvidos para permitir a libertação específica de RNA, particularmente aqueles que são compostos por lípidos, surgiram como uma estratégia promissora para o tratamento de necessidades médicas não atendidas.A presente dissertação tem como objetivo sumariar o progresso atual das terapias baseadas em RNA, com especial foco nas terapias de mRNA entregues através de nanopartículas lipídicas (LNPs), bem como nos aspetos cruciais do seu desenvolvimento e produção biofarmacêutica. Para além disso, na tentativa de sistematizar o conhecimento atual e fornecer uma ferramenta útil para futuros desenvolvimentos de LNPs para a entrega de mRNA, foi preparado um modelo das etapas iniciais de um desenvolvimento baseado em Quality by Design (QbD), incluindo a definição do perfil de qualidade do produto alvo, a identificação dos atributos críticos de qualidade, dos atributos críticos do material, bem como dos parâmetros críticos de processo e, por fim, o desenvolvimento de uma avaliação de risco inicial.

RNA therapeutics comprise a rapidly expanding category of drugs that promise to challenge the standard of care for many diseases and make the term “undruggable” obsolete. These are a result of the various RNA functions beyond genetic information messaging, including essential and specific regulation of numerous steps of gene expression. The ability to rapidly alter the sequence of the RNA construct for personalized treatments or to adapt to an evolving pathogen is also crucial to the success of RNA therapeutics.RNA has broad potential for the prevention or treatment of different therapeutic indications, including infectious diseases, cancer and genetic diseases. Nevertheless, free RNA molecules have unfavorable physicochemical characteristics, which hamper their intracellular delivery. Additionally, they are intrinsically unstable and prone to degradation by nucleases, further suffering from rapid clearance from the circulation, as well as enabling immune system activation.Therefore, the medical application of RNA therapeutics is significantly dependent on the design of effective delivery systems that modulate their unfavorable characteristics. These delivery systems have to demonstrate efficient entrapment/protection, controlled release and/or targeted delivery of the RNA. Viral vectors are a promising tool for the effective delivery of genetic material into cells because they take advantage of the natural ability of viruses to transduce cells. However, several limitations are associated with those, including safety concerns (high immunogenicity), limited packaging capacity and manufacturing challenges. Non-viral vectors have the potential to address these limitations. In fact, engineered drug delivery systems for specific release RNA, particularly those based on lipids, have emerged as an attractive strategy for the treatment of challenging unmet medical needs.The present dissertation aims to describe a comprehensive overview of the recent progress in RNA technologies, with a focus on mRNA therapeutics delivered by lipid nanoparticles and crucial aspects of their biopharmaceutical development and manufacturing. Furthermore, in an attempt to systematize the current information and provide a valuable tool for future developments of lipid nanoparticles for mRNA delivery, a roadmap for the initial steps of a QbD-based development was prepared, including the Quality Target Product Profile (QTPP) definition, Critical Quality Attributes (CQAs), CMAs (Critical Material Attributes) and CPPs (Critical Process Parameters) identification and initial risk assessment.