《Advanced Drug Delivery Reviews》：20 years of flash nanoprecipitation – from controlled precipitation to global medicine
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本文系统回顾了Flash NanoPrecipitation（FNP）技术，涵盖其原理、规模化生产应用及与微流控技术的对比，强调FNP在mRNA疫苗等纳米药物递送中的核心作用及未来发展方向。
Kurt D. Ristroph|Nathalie M. Pinkerton|Chester E. Markwalter|Suzanne M. D'Addio|Marian E. Gindy|Robert F. Pagels
美国印第安纳州西拉斐特市普渡大学农业与生物工程系，邮编47907
摘要
自Flash NanoPrecipitation（FNP）技术开发以来的二十年里，这种利用快速湍流混合驱动聚合物或脂质纳米粒子自组装的抗溶剂沉淀技术已被广泛应用于研究和工业中的多种药物递送领域——尤其是作为辉瑞-BioNTech公司COMIRNATY? mRNA脂质纳米粒子疫苗全球生产的核心技术。值得注意的是，FNP是目前唯一公开知的可用于全球商业规模生产的脂质纳米粒子制备技术。这一特性使得该技术尤为突出，值得广泛讨论，本文正是基于此目的而撰写。同时，FNP也被视为其他脂质纳米粒子（LNP）制造工艺的参考标准。本文综述了该连续抗溶剂沉淀技术的原理、可扩展性及其在下游单元操作中的应用，并探讨了其在纳米医学研究中的价值。我们还分析了FNP技术的现有知识产权状况，并列举了其在SARS-CoV-2疫苗及低成本抗疟疾制剂中的工业应用实例。最后，文章总结了近年来对该技术的改进与扩展，这些改进使得FNP能够封装更多类型的分子，并在制造过程中具备更高的灵活性，从而进入第三个发展阶段。
引言
Flash NanoPrecipitation（FNP）是一种大规模连续抗溶剂沉淀技术，用于制备用于药物递送及其他应用的脂质或聚合物纳米粒子[1]。FNP通过专门设计的混合器中的溶剂与抗溶剂流体的湍流混合，在极短时间（1.5-5毫秒）内实现快速均质化[2]，远快于纳米粒子自组装所需的时间（通常为40-100毫秒）[4,5]。这种湍流混合带来了两个主要效果：首先，纳米粒子的组装具有高度可重复性[6]；其次，引发湍流混合所需的高流速使得该技术具备天然的扩展性，这与基于微流控技术的抗溶剂沉淀方法形成对比[7]。因此，FNP是目前少数可用于大规模生产聚合物或脂质纳米粒子的技术之一[8]。尽管FNP是辉瑞-BioNTech SARS-CoV-2疫苗中mRNA脂质纳米粒子制造的关键技术[9]，但它并未在学术界得到广泛关注，相关研究也较为少见。本文回顾了自2003年该技术首次报道以来的二十年发展历程，探讨了其基本原理、可扩展性、在学术与工业研究中的应用，以及未来学术和工业研究人员如何进一步利用该技术。
注：本文重点介绍FNP技术本身，而非特定类型的mRNA脂质纳米粒子（相关综述文章较多）。虽然FNP在mRNA脂质纳米粒子制备中的应用具有重大意义，但这一应用仍属新兴领域，多数FNP研究仍集中在小分子药物上。因此，这篇20年的综述采取了更全面的视角。
2021年，CNN关于辉瑞-BioNTech SARS-CoV-2 COMIRNATY?疫苗全球生产的报道指出，该公司采用了冲击式喷射混合器来制备mRNA脂质纳米粒子[10]，这些粒子由表面活性脂质和结构脂质组成，以确保稳定性。在冲击式喷射混合器中，“两股液体以高速在狭小空间内碰撞”，[11]从而实现快速混合并达到高过饱和状态，生成具有大表面积的纳米粒子[12,13]。Prud'homme和Johnson于2003年首次提出利用表面活性分子实现这种混合技术，并将其命名为Flash NanoPrecipitation（FNP）[1]。
制药公司公开具体制造技术的情况极为罕见。Moderna的Spikevax?和Alnylam的Onpattro?脂质纳米粒子制剂所采用的混合技术尚未公开（尽管Moderna的专利中包含FNP相关技术）。因此，目前唯一公开制造工艺的全球商业规模脂质纳米粒子制剂是辉瑞-BioNTech COMIRNATY?疫苗，该疫苗正是基于FNP技术生产的。用于该工艺的混合器由KNAUER公司制造，其CEO表示：“Prud'homme教授（FNP技术的创始人）的基础研究最终催生了当今脂质纳米粒子制造商所使用的这项技术。”[14]这一事实使得FNP技术显得尤为值得关注。
这也意味着FNP应成为其他LNP制造工艺的参考标准。然而，由于实验室阶段微流控混合器的主导地位，学术界对此认识较慢。微流控混合器通常被宣传为“即插即用”型，且运行所需的材料远少于湍流FNP混合器，从成本角度来看具有优势（尤其是在mRNA制备领域）。但越来越多的研究表明，不同混合几何结构下制备的LNP在物理性质和生物性能上存在差异，这可能是由于混合过程中的差异导致的[15-20]。
目前，大量LNP研究仍采用不适合商业生产的混合技术（如微流控或手动搅拌），这阻碍了研究成果的转化（可能在商业化生产中无法重现），并延缓了该领域的发展。鉴于对更高可扩展性和可重复性的需求，多家公司（如DIANT Pharma、Micropore Technologies、FDX Fluid Dynamix、Inside Therapeutics等）开始研发新型可扩展混合器[21]。FNP是目前该领域的技术领导者。
注：目前尚无针对市场上各类纳米沉淀混合器（微流控和湍流型）的全面比较。对于对FNP以外混合器感兴趣的读者，我们推荐美国FDA作者撰写的最新综述，其中详细介绍了多种现有混合器的工作原理及其在RNA负载脂质纳米粒子制备中的应用[21]。
技术原理
FNP的工作原理
FNP利用专用混合器中的湍流混合，快速均质化含有溶解化合物的液体流。典型操作中，一股流体为含有至少一种疏水“核心”化合物和两亲性“稳定剂”的有机溶剂，另一股流体为水，作为抗溶剂。混合过程导致疏水化合物高度过饱和，进而聚集形成纳米粒子核心。
未来展望
FNP技术是制备核壳聚合物和固体脂质纳米粒子的最具前景的制造技术之一。其优势在于从实验室规模到全球生产规模的稳健性和可重复性[54]。许多纳米制剂在实验室阶段通过复杂工艺制备并得到文献报道，但在放大生产过程中因批次间重复性差而失败[160,178]。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系：C.E.M.和R.F.P.持有Optimeos Life Sciences Inc.的股份。
致谢
本研究得到了普渡大学农业研究与研究生教育办公室及研究执行副总裁的支持，该项目属于“提升研究可见度”计划的一部分。图3A的照片由普渡大学农业学院的Tom Campbell拍摄；图形摘要及图1、图2、图3、图5的插图由Ella Maru Studio制作。
本文献给名誉教授Robert Prud'homme，以表达对他的致敬。
