Method Article
פרוטוקול זה מספק גישה לאופטימיזציה של ניסוח על פני גורמי מחקר מתערובת, רציפים וקטגוריים הממזערת בחירות סובייקטיביות במבנה התכנון הניסויי. בשלב הניתוח נעשה שימוש בהליך התאמת מידול יעיל וקל לשימוש.
אנו מציגים גישה בסגנון איכות לפי עיצוב (QbD) לאופטימיזציה של נוסחאות ננו-חלקיקי שומנים (LNP), במטרה להציע למדענים זרימת עבודה נגישה. המגבלה המובנית במחקרים אלה, שבהם היחסים המולריים של שומנים מיוננים, מסייעים ו-PEG חייבים להצטבר עד 100%, דורשת שיטות תכנון וניתוח מיוחדות כדי להתאים לאילוץ תערובת זה. תוך התמקדות בגורמי שומנים ותהליכים המשמשים בדרך כלל באופטימיזציה של תכנון LNP, אנו מספקים צעדים המונעים רבים מהקשיים המתעוררים באופן מסורתי בתכנון וניתוח של ניסויי תהליך תערובות על ידי שימוש בעיצובים ממלאים חלל וניצול המסגרת הסטטיסטית שפותחה לאחרונה של מודלי אנסמבל מאומתים עצמיים (SVEM). בנוסף להפקת ניסוחים אופטימליים למועמדים, זרימת העבודה בונה גם סיכומים גרפיים של המודלים הסטטיסטיים המותאמים המפשטים את פרשנות התוצאות. ניסוחי המועמדים החדשים שזוהו מוערכים באמצעות ריצות אישור ולחלופין ניתן לבצע אותם בהקשר של מחקר מקיף יותר בשלב השני.
ניסוחים של ננו-חלקיקי ליפידים (LNP) עבור מערכות העברת גנים in vivo כוללות בדרך כלל ארבעה ליפידים מרכיבים מהקטגוריות של ליפידים מיוננים, עוזרים ו-PEG 1,2,3. בין אם ליפידים אלה נחקרים לבד או בו זמנית עם גורמים אחרים שאינם תערובת, ניסויים עבור ניסוחים אלה דורשים עיצובי "תערובת" מכיוון - בהינתן ניסוח מועמד - הגדלת או הקטנת היחס בין כל אחד מהליפידים מובילה בהכרח לירידה או עלייה מקבילה בסכום היחסים של שלושת הליפידים האחרים.
לשם המחשה, ההנחה היא שאנחנו מייעלים ניסוח LNP שכרגע משתמש במתכון מוגדר שיטופל כאמת המידה. המטרה היא למקסם את העוצמה של LNP תוך שאיפה משנית למזער את גודל החלקיקים הממוצע. גורמי המחקר המגוונים בניסוי הם היחסים המולריים של ארבעת השומנים המרכיבים (מיוננים, כולסטרול, DOPE, PEG), יחס N:P, קצב הזרימה וסוג השומנים המיוננים. השומנים המיוננים והמסייעים (כולל כולסטרול) מורשים להשתנות בטווח רחב יותר של יחס מולארי, 10-60%, מאשר PEG, אשר ישתנה בין 1-5% באיור זה. מתכון ניסוח אמת המידה והטווחים של הגורמים האחרים וגרעיניות העיגול שלהם מפורטים בקובץ משלים 1. לדוגמה זו, המדענים מסוגלים לבצע 23 ריצות (קבוצות ייחודיות של חלקיקים) ביום אחד ורוצים להשתמש בו כגודל הדגימה שלהם אם הוא עומד בדרישות המינימום. תוצאות סימולציה של ניסוי זה מופיעות בקובץ משלים 2 ובקובץ משלים 3.
Rampado ו-Peer4 פרסמו לאחרונה מאמר סקירה בנושא ניסויים מתוכננים לאופטימיזציה של מערכות אספקת תרופות מבוססות ננו-חלקיקים. Kauffman et al.5 שקלו מחקרי אופטימיזציה של LNP באמצעות עיצובי סינון חלקיים וסופיים6; עם זאת, סוגים אלה של עיצובים אינם יכולים להתאים לאילוץ תערובת מבלי להזדקק לשימוש ב"משתני רפיון" לא יעילים7 ואינם משמשים בדרך כלל כאשר גורמי תערובת קיימים 7,8. במקום זאת, "עיצובים אופטימליים" המסוגלים לשלב אילוץ תערובת משמשים באופן מסורתי לניסויים בתהליך תערובות9. עיצובים אלה מכוונים לפונקציה שצוינה על-ידי המשתמש של גורמי המחקר והם אופטימליים (באחד ממספר מובנים אפשריים) רק אם פונקציה זו לוכדת את הקשר האמיתי בין גורמי המחקר ותגובותיהם. יש לשים לב כי קיימת הבחנה בטקסט בין "עיצובים אופטימליים" לבין "מועמדים לניסוח אופטימלי", כאשר האחרון מתייחס לניסוחים הטובים ביותר המזוהים על ידי מודל סטטיסטי. עיצובים אופטימליים מגיעים עם שלושה חסרונות עיקריים לניסויים בתהליך תערובת. ראשית, אם המדען אינו מצליח לצפות אינטראקציה של גורמי המחקר בעת ציון מודל היעד, אז המודל המתקבל יהיה מוטה ויכול לייצר ניסוחים מועמדים נחותים. שנית, עיצובים אופטימליים מציבים את רוב הריצות על הגבול החיצוני של חלל הפקטור. במחקרי LNP, זה יכול להוביל למספר רב של ריצות אבודות אם החלקיקים אינם נוצרים כראוי בכל הקצוות של הגדרות השומנים או התהליך. שלישית, מדענים מעדיפים לעתים קרובות לערוך ריצות ניסוי על פנים מרחב הגורמים כדי לקבל תחושה בלתי תלויה במודל של משטח התגובה ולצפות בתהליך ישירות באזורים שלא נחקרו בעבר במרחב הגורמים.
עיקרון תכנון חלופי הוא לכוון לכיסוי אחיד משוער של מרחב הגורם (מוגבל התערובת) עם עיצוב ממלא חלל10. עיצובים אלה מקריבים יעילות ניסויית מסוימת ביחס לעיצובים אופטימליים9 (בהנחה שכל מרחב הגורמים מוביל לניסוחים תקפים) אך מציגים מספר יתרונות בפשרה שהם שימושיים ביישום זה. תכנון מילוי החלל אינו מניח הנחות אפריוריות לגבי מבנה משטח התגובה; זה נותן לו את הגמישות ללכוד יחסים בלתי צפויים בין גורמי המחקר. זה גם מייעל את יצירת העיצוב מכיוון שהוא אינו דורש קבלת החלטות לגבי אילו מונחי רגרסיה להוסיף או להסיר כאשר גודל הריצה הרצוי מותאם. כאשר נקודות עיצוב מסוימות (מתכונים) מובילות לניסוחים כושלים, עיצובים ממלאים מקום מאפשרים למדל את גבול הכשל מעל גורמי המחקר תוך תמיכה במודלים סטטיסטיים לתגובות המחקר על פני שילובי הגורמים המוצלחים. לבסוף, הכיסוי הפנימי של מרחב הגורמים מאפשר חקירה גרפית בלתי תלויה במודל של משטח התגובה.
כדי לדמיין את תת-המרחב של גורם התערובת של ניסוי תערובת-תהליך, נעשה שימוש ב"חלקות טרינריות" משולשות מיוחדות. איור 1 מניע את השימוש הזה: בקובייה של נקודות שבהן מאפשרים לכל אחד שלושה מרכיבים לנוע בין 0 ל-1, הנקודות שמקיימות אילוץ שסכום המרכיבים שווה ל-1 מסומנות באדום. אילוץ התערובת על שלושת המרכיבים מקטין את שטח הגורם האפשרי למשולש. ביישומי LNP עם ארבעה מרכיבי תערובת, אנו מייצרים שש חלקות טרינריות שונות המייצגות את מרחב הגורמים על ידי התוויית שני ליפידים בכל פעם כנגד ציר "אחרים" המייצג את סכום הליפידים האחרים.
איור 1: אזורי גורם משולש. בחלקת מילוי החלל בתוך הקובייה, הנקודות האפורות הקטנות מייצגות ניסוחים שאינם עולים בקנה אחד עם אילוץ התערובת. הנקודות האדומות הגדולות יותר מונחות על משולש החקוק בתוך הקובייה ומייצגות ניסוחים שעבורם אילוץ התערובת מסופק. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
בנוסף לגורמי תערובת השומנים, לעתים קרובות ישנם גורם תהליך רציף אחד או יותר כגון יחס N:P, ריכוז חיץ או קצב זרימה. גורמים קטגוריים עשויים להיות נוכחים, כגון סוג שומנים מיוננים, סוג שומנים עוזר או סוג חיץ. המטרה היא למצוא נוסחה (תערובת של שומנים והגדרות לגורמי תהליך) שממקסמת מידה מסוימת של עוצמה ו/או משפרת מאפיינים פיזיוכימיים כגון מזעור גודל החלקיקים וה-PDI (מדד פיזור רב), מקסום אחוזי הקפסולה, וממזערת תופעות לוואי - כגון ירידה במשקל הגוף - במחקרי in vivo . גם כאשר מתחילים ממתכון בנצ'מרק סביר, ייתכן שיהיה עניין באופטימיזציה מחדש בהינתן שינוי במטען הגנטי או כאשר שוקלים שינויים בגורמי התהליך או בסוגי השומנים.
קורנל7 מספק טקסט סופי על ההיבטים הסטטיסטיים של ניסויי תערובות ותערובת-תהליך, כאשר מאיירס ואחרים 9 מספקים סיכום מצוין של נושאי תכנון וניתוח התערובת הרלוונטיים ביותר לאופטימיזציה. עם זאת, עבודות אלה יכולות להעמיס על מדענים פרטים סטטיסטיים ועם טרמינולוגיה מיוחדת. תוכנה מודרנית לתכנון וניתוח ניסויים מספקת פתרון חזק שיתמוך מספיק ברוב בעיות האופטימיזציה של LNP מבלי לפנות לתיאוריה הרלוונטית. בעוד שמחקרים מסובכים יותר או בעלי עדיפות גבוהה עדיין יפיקו תועלת משיתוף פעולה עם סטטיסטיקאי ועשויים להשתמש בעיצובים אופטימליים ולא ממלאים מקום, מטרתנו היא לשפר את רמת הנוחות של מדענים ולעודד אופטימיזציה של פורמולציות LNP מבלי לפנות לבדיקות לא יעילות של גורם אחד בכל פעם (OFAT)11 או פשוט להסתפק בנוסחה הראשונה העונה על המפרטים.
במאמר זה, מוצגת זרימת עבודה המשתמשת בתוכנה סטטיסטית כדי לייעל בעיית ניסוח LNP גנרית, ומטפלת בבעיות תכנון וניתוח לפי הסדר שבו הן ייתקלו בהן. למעשה, השיטה תעבוד עבור בעיות אופטימיזציה כלליות ואינה מוגבלת ל- LNPs. לאורך הדרך מטופלות מספר שאלות נפוצות שעולות וניתנות המלצות המעוגנות בניסיון ובתוצאות סימולציה12. המסגרת שפותחה לאחרונה של מודלים של אנסמבל מאומת עצמית (SVEM)13 שיפרה מאוד את הגישה השברירית לניתוח תוצאות מניסויים בתהליך תערובת, ואנו משתמשים בגישה זו כדי לספק אסטרטגיה פשוטה יותר לאופטימיזציה של פורמולציה. בעוד זרימת העבודה בנויה באופן כללי שניתן לעקוב אחריו באמצעות חבילות תוכנה אחרות, JMP 17 Pro ייחודי בכך שהוא מציע SVEM יחד עם כלי הסיכום הגרפיים שמצאנו כנחוצים כדי לפשט את הניתוח הארכאי של ניסויים בתהליך תערובת. כתוצאה מכך, הוראות ספציפיות JMP מסופקות גם בפרוטוקול.
SVEM משתמש באותו בסיס מודל רגרסיה ליניארית כמו הגישה המסורתית, אך הוא מאפשר לנו להימנע משינויים מייגעים הנדרשים כדי להתאים ל"מודל מלא" של השפעות מועמדים באמצעות בחירת קדימה או גישת בסיס בחירה נענשת (לאסו). בנוסף, SVEM מספק התאמת "מודל מופחת" משופרת הממזערת את הפוטנציאל לשילוב רעש (תהליך בתוספת שונות אנליטית) המופיע בנתונים. זה עובד על ידי ממוצע המודלים החזויים הנובעים משקלול חוזר ונשנה של החשיבות היחסית של כל ריצה במודל 13,14,15,16,17,18. SVEM מספק מסגרת למידול ניסויים בתהליך תערובת, שהיא גם קלה יותר ליישום מאשר רגרסיה מסורתית של ירייה בודדת וגם מניבה מועמדים לניסוח אופטימלי באיכות טובה יותר12,13. הפרטים המתמטיים של SVEM הם מעבר להיקף של מאמר זה ואפילו סיכום שטחי מעבר לסקירת הספרות הרלוונטית יסיח את הדעת מהיתרון העיקרי שלו ביישום זה: הוא מאפשר הליך פשוט, חזק ומדויק של לחץ והפעל עבור מתרגלים.
זרימת העבודה המוצגת עולה בקנה אחד עם גישת איכות לפי עיצוב (QbD)19 לפיתוח תרופות20. תוצאת המחקר תהיה הבנה של הקשר הפונקציונלי המקשר בין תכונות החומר ופרמטרי התהליך לתכונות איכות קריטיות (CQAs)21. דניאל ואחרים 22 דנים בשימוש במסגרת QbD במיוחד לייצור פלטפורמת RNA: זרימת העבודה שלנו יכולה לשמש ככלי במסגרת זו.
הניסוי המתואר בסעיף התוצאות המייצגות בוצע בהתאם למדריך לטיפול ושימוש בחיות מעבדה והנהלים בוצעו בהתאם להנחיות שנקבעו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים (IACUC). נקבות עכברי Balb/C בנות 6-8 שבועות הושגו באופן מסחרי. בעלי החיים קיבלו צ'או ומים סטנדרטיים ושוכנו בתנאים סטנדרטיים עם מחזורי אור / חושך של 12 שעות, בטמפרטורה של 65-75 ° F (~ 18-23 ° C) עם 40-60% לחות.
1. רישום מטרת המחקר, תגובותיו וגורמים
הערה: לאורך פרוטוקול זה, JMP 17 Pro משמש לתכנון וניתוח הניסוי. ניתן להשתמש בתוכנה מקבילה בעקבות שלבים דומים. לקבלת דוגמאות והוראות נוספות לכל השלבים שבוצעו בסעיף 1, עיין בקובץ משלים 1.
איור 2: דיאגרמת סיבה ותוצאה. הדיאגרמה מציגה גורמים נפוצים בבעיית אופטימיזציה של ניסוח LNP. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
2. יצירת שולחן עיצוב בעיצוב ממלא מקום
איור 3: גורמי המחקר והטווחים. צילומי מסך של הגדרות בתוך תוכנות ניסיוניות שימושיים לשחזור מערך המחקר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: פלט ראשוני לתכנון ממלא חלל. הצגת שתי השורות הראשונות של הטבלה, יש לעגל את ההגדרות לדיוק הרצוי תוך הקפדה על כך שכמויות השומנים מסתכמות ב- 1. אמת המידה נוספה לטבלה באופן ידני. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: טבלת לימוד מעוצבת. רמות הגורמים עוגלו ועוצבו ונוספה עמודה Run ID. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: נקודות עיצוב על חלקה טרינרית. 23 הפורמולציות מוצגות כפונקציה של היחס המקביל בין Ionizable, Helper ו-"Others" (כולסטרול+PEG). הנקודה הירוקה במרכז מייצגת את אמת המידה 33:33:33:1 יחס מולארי של Ionizable (H101):כולסטרול:עוזר (DOPE):P EG. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: התפלגות גורמי תהליך שאינם תערובת בניסוי. ההיסטוגרמות מראות כיצד ריצות הניסוי מפוזרות על פני סוג שומנים מיוננים, יחס N:P וקצב זרימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
3. הפעלת הניסוי
4. ניתוח תוצאות הניסוי
איור 8: נצפו קריאות עוצמה מהניסוי. הנקודות מציגות את ערכי העוצמה שנצפו מ-23 הריצות; ריצות השוואת הביצועים המשוכפלות מוצגות בירוק. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 9: דו-שיח תוכנה להתחלת הניתוח. ההשפעות המועמדות הוזנו יחד עם תגובת עוצמת המטרה, והאפשרות No Intercept לא נבדקה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 10. תיבת דו-שיח נוספת לציון אפשרויות SVEM. כברירת מחדל, ההשפעות העיקריות של השומנים נאלצות לתוך המודל. מכיוון שכלול יירוט, אנו ממליצים לבטל את הסימון של תיבות אלה כדי לא לכפות את האפקטים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 11: בפועל לפי העלילה החזויה. איור זה משרטט את העוצמה הנצפית כנגד הערך שנחזה עבור כל ניסוח על-ידי מודל SVEM. המתאם לא צריך להיות חזק כמו בדוגמה הזאת, אבל הציפייה היא לראות לפחות מתאם מתון ולבדוק חריגים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 12: פרופיל חיזוי. שתי שורות הגרפים העליונות מציגות את פרוסות פונקציית התגובה החזויה בניסוח האופטימלי (כפי שזוהה בגישת SVEM). השורה התחתונה של הגרפים מציגה את ה"רצון" המשוקלל של הניסוח, שהוא פונקציה של העמודה האחרונה של הגרפים שמראה שיש למקסם את העוצמה, ולמזער את הגודל. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 13: שלושה מועמדים אופטימליים לניסוח מתוך SVEM-Forward Selection. שינוי שקלול החשיבות היחסית של התגובות יכול להוביל לניסוחים אופטימליים שונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
תרשים 14: חלקות טרינריות לאחוזון הכדאיות. העלילה מציגה את 50,000 הפורמולציות המקודדות בצבע לפי אחוזון רצון, כאשר הרצון נקבע עם משקל חשיבות של 1.0 למקסום העוצמה ו-0.2 למזעור הגודל, חלקות אלה מראות כי האזור האופטימלי של הפורמולציות מורכב מאחוזים נמוכים יותר של שומנים מיוננים ואחוזים גבוהים יותר של PEG. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 15: תרשים טרינרי עבור הגודל החזוי. העלילה מציגה את תחזיות הגודל ממודל SVEM עבור כל אחד מ-50,000 הפורמולציות. הגודל ממוזער עם אחוזים גבוהים יותר של שומנים עוזרים ומוגדל עם אחוזים נמוכים יותר של עוזר. מכיוון שהגורמים האחרים משתנים באופן חופשי בין 50,000 הניסוחים המשורטטים, משמעות הדבר היא שקשר זה מתקיים על פני הטווחים של הגורמים האחרים (PEG, קצב זרימה וכו '). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 16: שרטוטי כינור לכדאיות של ניסוחים הכוללים את שלושת סוגי השומנים המייננים השונים. כל אחת מ-50,000 הנקודות מייצגת ניסוח ייחודי מכל מרחב הגורמים המותר. השיאים של התפלגויות אלה הם הערכים המקסימליים של הרצויות המחושבים באופן אנליטי עם פרופיל החיזוי. H102 הוא בעל הפסגה הגדולה ביותר ולכן מייצר את הנוסחה האופטימלית. גישת SVEM לבניית המודל שמייצר פלט זה מסננת באופן אוטומטי גורמים חסרי משמעות סטטיסטית: מטרת גרף זה היא לשקול מובהקות מעשית בכל רמות הגורמים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
5. ריצות אישור
תרשים 17: טבלה של עשרה מועמדים מיטביים לריצה כמועמד לאישור. העוצמה האמיתית והגודל האמיתי מולאו מפונקציות יצירת הסימולציה (ללא כל תהליך נוסף או וריאציה אנליטית). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
6. אופציונלי: תכנון מחקר המשך שירוץ במקביל לריצות האישור
7. תיעוד המסקנות המדעיות הסופיות של המחקר
גישה זו אומתה בשני סוגי השומנים המסווגים באופן רחב: ליפידים קלאסיים דמויי MC3 וליפידואידים (למשל, C12-200), הנגזרים בדרך כלל מכימיה קומבינטורית. בהשוואה לנוסחת LNP שפותחה בשיטת One Factor at a Time (OFAT), הניסוחים המועמדים שנוצרו באמצעות זרימת העבודה שלנו הדגימו לעתים קרובות שיפורי עוצמה של פי 4 עד פי 5 בסולם לוגריתמי, כפי שמוצג בקריאות לוציפראז של כבד העכבר באיור 18. טבלה 1 מתארת את השיפורים המתאימים בביטוי לוציפראז בכבד עכבר שנצפו במהלך ביצועי בקרת אמת המידה לאורך שני שלבי אופטימיזציה (מחקר ראשוני ומחקר מעקב לאחר מכן). בשלב הראשון, ההתמקדות הייתה באופטימיזציה של יחסי השומנים תוך שמירה על גורמים אחרים קבועים. במחקר המעקב הוצג סוג שומנים עוזר נוסף ובוצעה אופטימיזציה בהתחשב הן בהרכב יחס השומנים והן בסוג השומנים המסייעים. כתוצאה מכך, סוג השומנים המסייע החדש שהוצג נבחר לשימוש עם הרכב השומנים הממוטב המשויך. השיפור המשמעותי בעוצמה מצביע על כך שהרכבים אופטימליים אלה עשויים להציג יכולות בריחה אנדוזומליות טובות יותר25.
ניתן להשתמש בסימולציות כדי להראות את האיכות הצפויה של המועמד האופטימלי המיוצר על ידי הליך זה. במסגרת הניסוי לדוגמה המשמש בפרוטוקול, אנו יכולים לחזור על הסימולציה פעמים רבות עבור גדלי ריצה שונים ולהעריך את התוצאות בהתאם לפונקציה מחוללת התהליך המדומה. סקריפט JMP למטרה זו מסופק בקובץ משלים 4. באופן ספציפי, נוצר תכנון מילוי חלל ועמודות התגובה אוכלסו בערכים מפונקציות הגנרטור שלנו, בתוספת רעש המייצג שינויים אנליטיים ותהליכיים. אנו מתאימים את התגובות המדומות הללו לטכניקות ניתוח שונות (כולל SVEM Forward Selection) כדי לייצר מתכון אופטימלי מתאים למועמד. לאחר מכן משווים את המועמדים מכל שיטת ניתוח לערך של האופטימום האמיתי מהפונקציות היוצרות. איור 19 ממחיש את האחוז הממוצע של התגובה התיאורטית המקסימלית שהושגה על ידי כל אחת משלוש שיטות הניתוח באמצעות עיצובי מילוי חלל בגודל שניתן על הציר האופקי. המודל המלא, הכולל את כל ההשפעות המועמדות ואינו מצמצם את המודל על סמך המובהקות הסטטיסטית של השפעות אלה, מבצע את הגרוע ביותר. חלק ניכר מהעבודה הנוספת המושקעת באופן מסורתי בהתאמת מודלים של רגרסיה לניסויי תערובת-תהליך כרוכה בשינויים (הסרת היירוט, אילוץ ההשפעות העיקריות של התערובת, מניעת שימוש באפקטים של תערובת ריבועית טהורה וכו') הנדרשים כדי להתאים למודל9 המלא הזה, ומנקודת מבט זו, הליכים אלה מיותרים12. יתר על כן, מודל זה אינו יכול להתאים עד שגודל העיצוב מגיע למספר האפקטים במודל. בגדלים ניסיוניים קטנים יותר, אנו יכולים להתאים את שיטת הבחירה קדימה המסורתית, אשר עולה על הביצועים של המודל המלא ביחס לביצועים הממוצעים של ניסוח המועמד האופטימלי עבור כל גודל ניסוי קבוע. כמו כן, שינוי SVEM לגישת בחירה קדימה זו משפר עוד יותר את הביצועים של המועמדים האופטימליים. תרשים זה מגלה כי שימוש ב- SVEM-Forward Selection12,13 לניתוח ניסוי מילוי חלל בן 24 ריצות משיג את אותה איכות ממוצעת, הדורשת בדרך כלל 50 ריצות כאשר מנתחים אותה באמצעות מודל בחירה קדימה מסורתי (מיקוד AICc מינימלי). למרות שהביצועים בפועל ישתנו מתהליך לתהליך, סימולציה זו - יחד עם התוצאות שפורסמו על SVEM 12,13,16,17,26 - מדגימות את הפוטנציאל של הליך מידול זה לאופטימיזציה של פורמולציה.
איור 18: שיפור בביטוי לוציפראז בכבד לאחר שני סבבי ניסויים. סיבוב 0 מראה את קריאת לוציפראז הכבד עבור ניסוח אמת המידה; סבב 1 מראה את קריאת הלוציפראז בכבד לאחר הניסוי הראשון אשר מייעל את היחסים המולריים של השומנים המרכיבים את LNP; סבב 2 מראה את קריאת לוציפראז בכבד לאחר הניסוי השני, אשר מייעל עוד יותר את היחסים המולריים המרכיבים תוך התחשבות בסוג שומנים עוזר נוסף. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
תרשים 19: איכות הניסוח האופטימלי כפונקציה של גודל הניסוי והמודל הסטטיסטי. הציר האנכי מייצג את אחוז הרצון המרבי התיאורטי, והציר האופקי מייצג את גודל העיצוב הממלא את החלל. כל נקודה מציגה ממוצע של מעל 150 סימולציות. הקו הכחול (משולשים) מייצג את המודל המלא (ללא ביטול השפעות חסרות משמעות סטטיסטית), קו הענבר (עיגולים) מייצג את מודל הבחירה קדימה המסורתי מבוסס AICc (עם יירוט ומבלי לכפות אפקטים עיקריים של התערובת), והקו הירוק (משולשים הפוכים) מייצג את מודל הבחירה קדימה מבוסס SVEM (עם יירוט ומבלי לכפות אפקטים עיקריים של תערובת). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
סיבוב | מזהה חלקיק | ביטוי לוציפראז בכבד (פוטון/שנייה) |
0 | מדד בקרה | 8.ה+06 |
1 | ממוטב מעל יחסי שומנים | 2.ה+09 |
2 | ממוטב מעל יחס שומנים וסוג שומנים עוזר | 8.ה+10 |
טבלה 1: שיפור שיטתי בביטוי לוציפראז באמצעות אופטימיזציה של תכנון ניסוי (DOE). טבלה זו ממחישה את השיפור המשמעותי בביטוי של לוציפראז, עם שיפור של עד פי 10,000 בסולם הפוטון/שנייה, מאמת המידה הראשונית ועד ל"מועמד האופטימלי" הסופי.
קובץ משלים 1: 04APR2023 סיכום.docx - מסמך זה מספק תיעוד של המחקר כולל מטרתו, התגובות שהוערכו, הגורמים שנלקחו בחשבון והמספר הכולל של הריצות שבוצעו. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 2: 23_run_simulated_experiment.jmp - קובץ JMP עם הניסוי המדומה ותוצאותיו. קובץ זה כולל גם סקריפטים מצורפים לניתוח התואמים ל- JMP 17 Pro. אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.
קובץ משלים 3: 23_run_simulated_experiment.xlsx - קובץ אקסל הכולל את הניסוי המדומה ותוצאותיו, מתאים לקוראים שאין להם גישה ל-JMP. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 4: סימולציית תערובת 20DEC22.jsl - זהו סקריפט JMP 17 Pro המשמש להדמיית ניסויי ניסוח LNP והערכת הביצועים של שיטות ניתוח שונות. קובץ ה- Script משתמש בגישת SVEM-Forward Selection (ללא יירוט), שהיא שיטת ניתוח המפתח המשמשת בזרימת עבודה זו. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
תוכנה מודרנית לתכנון וניתוח של ניסויי תהליך תערובות מאפשרת למדענים לשפר את נוסחאות ננו-חלקיקי השומנים שלהם בתהליך עבודה מובנה המונע ניסויי OFAT לא יעילים. גישת מידול SVEM שפותחה לאחרונה מבטלת רבים משינויי הרגרסיה הארכאיים ואסטרטגיות הפחתת המודלים שאולי הסיחו בעבר את דעתם של מדענים עם שיקולים סטטיסטיים זרים. לאחר איסוף התוצאות, מסגרת ניתוח SVEM מציעה גישה שהיא גם קלה יותר ליישום וגם נוטה לייצר מודלים טובים יותר מאשר גישות מידול מסורתיות13. יתר על כן, הניתוחים הגרפיים המבוססים על נוסחאות החיזוי עבור כל תגובה ניתנים לפירוש בקלות על ידי מדענים, ונותנים סיכום ברור של ההתנהגות השולית של התגובה על פני גורמים בודדים, כמו גם קבוצות קטנות של גורמים מבלי לדרוש פרשנות של אומדני פרמטרים מתואמים מאוד ממודל רגרסיה. זה מאפשר למדענים להתמקד בהערכת מובהקות מעשית על פני גורמי מחקר לאחר ש- SVEM הסיר באופן אוטומטי השפעות חסרות משמעות סטטיסטית.
זרימת העבודה שימשה בפועל לשינוי שיטתי של הרכב השומנים ופרמטרי הניסוח כגון יחס N/P, קצב זרימה ויחס ערבוב לצורך אופטימיזציה ולבחירת סוגי השומנים המסייעים הטובים ביותר, סוגי שומנים מיוננים וסוגי חיץ. המטרות בדוגמאות אלה כוללות בדרך כלל מקסום העוצמה in vivo או in vitro ועטיפת מטענים משתנים כמו mRNA או DNA עבור מטרות in vivo רלוונטיות כגון תאי כבד, או לפעמים על פני סוגי תאים מרובים במקרה של יישומי in vitro. עבור יישומים ספציפיים, ייתכן שנצטרך לאזן תכונות ביופיזיקליות כגון גודל, PDI, פוטנציאל zeta ואחוז אנקפסולציה תוך בחינת עוצמת in vivo. בנוסף, המטרה היא למצוא נוסחה חזקה, אך נסבלת היטב, ולכן אנו יכולים לכלול תגובות כגון שינוי במשקל הגוף, תגובת ציטוקינים, או אליציטוטציה של אנזימי כבד כגון AST/ALT בניתוח. דפוסים התפתחו מניסויי LNP רבים. יש לציין כי שינויים ביחס המולרי של השומנים המיוננים וביחס N/P משפיעים באופן משמעותי על אנקפסולציית RNA. יתר על כן, נראה כי שינויים ביחס המולרי של PEG משפיעים על יציבות החלקיקים, כפי שמצוין על ידי השפעות על גודל ו- PDI. באופן כללי, עודף של PEG בליבת LNP נוטה להיות בעל השפעה מזיקה על העוצמה בעכברים.
שיפורי ביצועים בולטים במיוחד כאשר יותר מתגובה אחת ממוקדת: גם אם אמת המידה כבר מתפקדת היטב ביחס לתגובה הראשונית (למשל, עוצמה), אופטימיזציה של המפרקים בדרך כלל שומרת או משפרת את ההתנהגות ביחס לתגובה הראשונית ובו זמנית משפרת התנהגות ביחס לתגובות אחרות (מזעור PDI, גודל או ירידה במשקל הגוף). אנו מאמתים את האותנטיות של שיפורים אלה באמצעות ריצות אישור, שבהן אנו מכינים ומשווים ישירות את ניסוח אמת המידה (אולי עם שכפול) ואת ניסוחי המועמדים החדשים.
שלב העיצוב של זרימת עבודה זו כולל מספר שלבים קריטיים. ראשית, ודא כי הגורמים והטווחים שלהם מוזנים כראוי לפלטפורמת העיצוב הממלאת את החלל. שנית, השתמש בגרפיקה ובידע בנושא כדי לאשר את ההיתכנות של כל ניסוח שנוצר לפני תחילת הניסוי. לבסוף, בצע את הניסוי לפי הסדר האקראי שצוין בטבלת התכנון. היצמדות לרצף זה מסייעת למנוע משתנים משותפים בלתי מדודים - כגון סדר ייצור הפורמולציה או טמפרטורת הסביבה - מלבלבל את הגורמים הנחקרים. העיצובים הממלאים את החלל קלים יותר לבנייה - עם פחות פוטנציאל לטעויות משתמש מאשר עיצובים אופטימליים של תהליכי תערובת, הדורשים החלטות נוספות במהלך ההתקנה שעלולות לתסכל משתמשים חסרי ניסיון ולהרתיע אותם מלהשתמש בניסויים מתוכננים. אף על פי כן, לאחר עבודה על פרוטוקול זה, מדענים עשויים להפיק תועלת מקריאה נוספת על האופן שבו עיצובים אופטימליים יכולים להחליף עיצובים ממלאים חלל בפרוטוקול, כפי שמתואר בפרק 6 של Goos and Jones (2011)27. במיוחד עבור מחקרי המשך ש"מתקרבים" לאזור אופטימלי - שבו יש פחות חשש לכשלים לאורך גבולות התערובת - עיצובים D-אופטימליים יכולים להיות יעילים יותר מעיצובים הממלאים את החלל.
כמו כן, שלב הניתוח של זרימת עבודה זו כולל מספר שלבים קריטיים. ראשית, ודא שהמודל מציין קבוצה מתאימה של השפעות מועמדים, כולל אינטראקציות, ולא רק את ההשפעות העיקריות (מסדר ראשון) של הגורמים. שנית, השתמש ב- SVEM Forward Selection כמסגרת המידול. שלישית, בטל את אפשרות ברירת המחדל No Intercept והימנע מכפיית אפקטים עיקריים של תערובת. לבסוף, להגדיר כראוי את פונקציות הרצויות עבור התגובות לפני הפעלת אופטימיזציה. עבור משתמשים ללא גישה ל- SVEM, הגישה הטובה ביותר היא להשתמש בבחירה קדימה מסורתית (מיקוד AICc מינימלי) עבור בעיית הרגרסיה12. הפרוטוקול מציין כי ניתן גם להשתמש ב-SVEM Lasso: בממוצע, גישה זו נותנת תוצאות דומות ל-SVEM Forward Selection, אם כי עבור מערכי נתונים מסוימים שתי הגישות עשויות לייצר ניסוחים אופטימליים שונים במקצת שניתן להשוות לריצות אישור12. עם זאת, SVEM Lasso ייתן תוצאות מידול נחותות אם המשתמש עושה את הטעות הקלה של שוכח להשבית את ברירת המחדל No Intercept אפשרות12: מסיבה זו, השתמשנו SVEM Forward Selection כשיטת ברירת המחדל, מכיוון שהיא חזקה יותר לאפשרות זו.
המגבלה העיקרית של שיטה זו היא שיהיו מדי פעם מחקרים עם מורכבות גדולה יותר שייהנו מעזרתו של סטטיסטיקאי לתכנון וניתוח. מצבים בהם תקציב הריצה מוגבל מהרגיל (מתחת להיוריסטיקת המינימום), התגובות בינאריות, ישנם מספר רב של גורמים קטגוריים או רמות של גורם קטגורי יחיד, כאשר מטרת המחקר היא לשקול ביטול גורם תערובת אחד או יותר מהמתכון, או כאשר ישנם אילוצים נוספים על מרחב הגורמים ניתן לגשת אחרת על ידי סטטיסטיקאי, כגון על ידי שימוש אופטימלי או היברידי12,28 עיצובים או על ידי הוספת מבנה נוסף לעיצוב. באופן ספציפי, עיצוב היברידי יכול להיווצר על ידי יצירת עיצוב ממלא מקום עם רוב הריצות המתוקצבות ולאחר מכן "להגדיל" את העיצוב עם הריצות הנותרות (בדרך כלל 2-4) באמצעות קריטריון D-אופטימלי. גישה היברידית נוספת היא ליצור עיצוב ממלא חלל על פני גורמי התערובת (שומנים) ורציפים (תהליך), ולאחר מכן להוסיף גורמים קטגוריים כלשהם באמצעות הקצאה "אופטימלית" של רמות גורמים. עם זאת, גישת התכנון הפשוטה למילוי חלל שננקטה בפרוטוקול פותחה בשנים האחרונות בתהליך של הרצת עשרות ניסויי אופטימיזציה של נוסחאות LNP, ואנו מאמינים שהיא מציעה גישה חזקה שתעבוד בהצלחה ברוב המקרים תוך מתן ביטחון למדענים ביכולתם להשתמש בניסויים מתוכננים.
אסטרטגיית התכנון הניסיוני העומדת בבסיס תהליך עבודה זה יושמה בשתי בקשות פטנט שבהן אחד המחברים הוא ממציא. בנוסף, Adsurgo, LLC היא שותפה מוסמכת של JMP. עם זאת, הפיתוח והפרסום של מאמר זה נעשו ללא כל צורה של תמריץ כספי, עידוד או תמריצים אחרים מצד JMP.
אנו מודים לעורך ולשופטים האנונימיים על הצעות ששיפרו את המאמר.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
JMP Pro 17.1 | JMP Statistical Discovery LLC |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved