Comparative study of lipid nanoparticle-based mRNA vaccine bioprocess with machine learning and combinatorial artificial neural network-design of experiment approach

生物过程 人工神经网络 纳米颗粒 生化工程 化学 人工智能 计算机科学 机器学习 纳米技术 工程类 材料科学 化学工程
作者
Ravi Maharjan,Shavron Hada,Ji‐Eun Lee,Dong‐Wook Han,Ki Hyun Kim,Hye Jin Seo,Camilla Foged,Seong Hoon Jeong
出处
期刊:International Journal of Pharmaceutics [Elsevier]
卷期号:640: 123012-123012 被引量:45
标识
DOI:10.1016/j.ijpharm.2023.123012
摘要

To develop a combinatorial artificial-neural-network design-of-experiment (ANN-DOE) model, the effect of ionizable lipid, an ionizable lipid-to-cholesterol ratio, N/P ratio, flow rate ratio (FRR), and total flow rate (TFR) on the outcome responses of mRNA-LNP vaccine were evaluated using a definitive screening design (DSD) and machine learning (ML) algorithms. Particle size (PS), PDI, zeta potential (ZP), and encapsulation efficiency (EE) of mRNA-LNP were optimized within a defined constraint (PS 40–100 nm, PDI ≤ 0.30, ZP≥(±)0.30 mV, EE ≥ 70 %), fed to ML algorithms (XGBoost, bootstrap forest, support vector machines, k-nearest neighbors, generalized regression–Lasso, ANN) and prediction was compared to ANN-DOE model. Increased FRR decreased the PS and increased ZP, while increased TFR increased PDI and ZP. Similarly, DOTAP and DOTMA produced higher ZP and EE. Particularly, a cationic ionizable lipid with an N/P ratio ≥ 6 provided a higher EE. ANN showed better predictive ability (R2 = 0.7269–0.9946), while XGBoost demonstrated better RASE (0.2833–2.9817). The ANN-DOE model outperformed both optimized ML models by R2 = 1.21 % and RASE = 43.51 % (PS prediction), R2 = 0.23 % and RASE = 3.47 % (PDI prediction), R2 = 5.73 % and RASE = 27.95 % (ZP prediction), and R2 = 0.87 % and RASE = 36.95 % (EE prediction), respectively, which demonstrated that ANN-DOE model was superior in predicting the bioprocess compared to independent models.
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