采用湿法研磨、均质化和超声处理方法制备了茚地那韦、利托那韦、依非韦伦和阿扎那韦的纳米颗粒。这些纳米制剂统称为纳米制剂化抗逆转录病毒治疗(nanoART),用于评估基于巨噬细胞的药物递送。测定了单核细胞来源巨噬细胞对纳米ART的摄取、滞留及持续释放情况。这些初步研究表明,纳米ART在临床应用方面具有潜力。
方法文章
* These authors contributed equally
采用湿法研磨、均质化和超声处理方法制备了茚地那韦、利托那韦、依非韦伦和阿扎那韦的纳米颗粒。这些纳米制剂统称为纳米制剂化抗逆转录病毒治疗(nanoART),用于评估基于巨噬细胞的药物递送。测定了单核细胞来源巨噬细胞对纳米ART的摄取、滞留及持续释放情况。这些初步研究表明,纳米ART在临床应用方面具有潜力。
纳米制剂药物可改善药效学和生物利用度,同时降低抗逆转录病毒药物(ART)的毒性。为此,本实验室应用纳米医学原理,简化ART治疗方案,从而在降低毒性的同时提高患者依从性及药物药代动力学特性。本文展示了制备纳米制剂抗逆转录病毒药物(nanoART)的简单且可靠的方法。将纯药物颗粒通过一层表面活性脂质包衣进行包裹,并利用湿法研磨或高压均质化技术将较大的药物晶体破碎成更小的颗粒。另一种方法是将游离药物悬浮于聚合物液滴中:先将药物溶解于聚合物中,再通过超声处理震荡,直至形成单个纳米级液滴。采用动态光散射和显微镜检查对颗粒的物理性质(粒径、电荷和形态)进行表征。其生物学特性(细胞摄取与滞留、细胞毒性及抗逆转录病毒活性)则通过人单核细胞来源巨噬细胞(MDM)进行测定。MDM由白细胞分离包中分离的人外周血单核细胞经离心淘析法纯化后获得。此类血液来源的巨噬细胞可用作细胞载体,将nanoART递送至人类免疫缺陷病毒(HIV)感染的器官。我们认为,将临床上已有的抗逆转录病毒药物重新包装为纳米颗粒用于HIV-1治疗,有望提高治疗依从性,并对疾病转归产生积极影响。
纳米抗逆转录病毒药物制造
1. 采用耐驰 MicroCer 方法进行纳米药物的湿法研磨
2. 使用 Avestin EmulsiFlex C5 进行纳米抗逆转录病毒药物制剂的均质化
3. 使用 Cole Parmer 超声波处理器进行超声处理
4. 纳米抗逆转录病毒药物的形态学
5. 纳米抗逆转录病毒药物治疗的可视化
纳米抗逆转录病毒疗法的生物学
6. 外周血单核细胞及其衍生巨噬细胞(MDM)的分离与制备
7. 细胞摄取与收集
8. 纳米抗逆转录病毒药物的细胞内滞留
9. ART 释放
10. 共聚焦显微镜实时观察纳米抗逆转录病毒药物的摄取
HIV-1 感染与感染性检测
11. HIV-1ADA 感染
12. 逆转录酶(RT)活性检测
13. HIV-1 p24 检测
14. 代表性结果:
| 药物 | 粒径 (nm) | 多分散系数(PDI) | 电荷 (mV) | 表面活性剂 |
| IDV | 1052 | 0.286 | -24.58 | 0.5% P188, 5.0% SDS, 9.25% 蔗糖 |
| RTV | 233 | 0.273 | -7.47 | 0.5% P188, 9.25% 蔗糖 |
| ATZ | 840 | 0.192 | +25.47 | 0.5% P188, 0.1% mPEG 2000-DSPE, 1.0% DOTAP, 9.25% 蔗糖 |
| EFV | 347 | 0.235 | -13.52 | 1.0% PVA |
表1. 纳米抗逆转录病毒药物(nanoART)的物理特性
本表列出了使用指定表面活性剂制备的纳米抗逆转录病毒药物(nanoART)制剂在物理特性方面可能具有的代表性数值。数值包括基于散射光强度测定的平均粒径、多分散系数(PDI,用于评估粒径分布的指标),以及不同纳米制剂样品测得的泽塔电位(zeta potential)值。表中所用缩写:IDV:茚地那韦;RTV:利托那韦;ATV:阿扎那韦;EFV:依法韦仑;PVA:聚乙烯醇;SDS:十二烷基硫酸钠;P188:泊洛沙姆188(也称为Pluronic F68);mPEG 2000-DSPE:甲氧基-聚乙二醇2000-二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺;DOTAP:(1-油酰基-2-[6-[(7-硝基-2-1,3-苯并噁二唑-4-基)氨基]己酰基]-3-三甲铵基丙烷)。

图1. 总结用于制备纳米抗逆转录病毒药物(nanoART)的各种方法的流程图。
图1总结了用于制备纳米抗逆转录病毒药物(nanoART)的各种方法。该流程图包含了每种方法各个关键阶段预计所需的时间分配。

图2. 理想与非理想纳米抗逆转录病毒药物(nanoART)形态的代表性图像。通过均质化、湿法研磨和超声处理制备的利托那韦(RTV)纳米抗逆转录病毒药物在0.2 μm聚碳酸酯滤膜上的扫描电子显微镜分析结果(放大倍数:15,000X)。所有图像中的标尺均为2.0 μm。理想的纳米抗逆转录病毒药物平均表现为粒径小(≤ 2 μm)、结构完整、边缘光滑的颗粒,且形状相同或相似。非理想的纳米抗逆转录病毒药物在大小和形状上差异较大,并可能发生融合和/或相互粘连。

图3. 理想的纳米抗逆转录病毒药物(nanoART)溶液及单核细胞来源巨噬细胞(MDM)摄取nanoART的图像。采用明场显微镜拍摄的图像(均使用20倍物镜获取),显示均质化的RTV-NP及MDM摄取nanoART的情况。将10 μL RTV-NP溶液与100 μL PBS混合后滴加于玻璃盖玻片上,可见颗粒呈沙样分布,仅有少数较大颗粒可被单独识别(A)。经完全分化呈纺锤形的MDM在接受nanoART处理前的图像(B)。细胞摄取nanoART后,胞体变暗,且由于药物在核周区域分布,细胞核变得更加明显;但细胞仍保持其纺锤形的形态(C)。当细胞内nanoART过载时,细胞核变得模糊不清,细胞形态转为圆形,失去纺锤状结构,并可能从培养孔底部脱落(D)。

图 4. 纳米抗逆转录病毒药物(nanoART)在单核细胞来源巨噬细胞(MDM)中的细胞摄取验证。透射电子显微镜图像(放大倍数:15,000×)显示经均质化制备的RTV-NP(A)、湿法研磨制备的RTV-NP(B)、超声处理制备的RTV-NP(C)处理的MDM中均存在nanoART的摄取,而未处理细胞(D)中无此现象。细胞内的nanoART可通过其几何形状清晰识别。注意对照细胞(D)中无明显几何结构存在。每种颗粒的示例已标出轮廓:均质化颗粒为红色(A),湿法研磨颗粒为蓝色(B),超声处理颗粒为绿色(C)。颗粒结构应与扫描电镜(SEM)观察结果相似。所有图像中的标尺长度为5.0 μm。

图5. 检测纳米抗逆转录病毒药物(nanoART)疗效的方法示意图。为了检测nanoART抑制病毒复制的能力,首先需用nanoART处理单核细胞分化的巨噬细胞(MDM),随后使其接触HIV-1ADA。类似于ART释放研究,先将MDM加载nanoART,然后洗涤以去除未被内化的颗粒。将含有nanoART的MDM培养至多15天,每隔一天更换一半培养基。在此期间(通常在第1、5、10和15天),用HIV-1ADA攻击MDM。每次病毒感染后,细胞继续培养10天,以允许感染进展。感染后第10天,收集培养基样本进行逆转录酶(RT)分析,并对细胞进行固定和p24抗原染色。同时平行培养未经nanoART处理的MDM(包括感染与未感染组),检测p24抗原的存在及RT活性。

图6. 通过p24染色检测纳米抗逆转录病毒药物(nanoART)在HIV-1感染的MDM细胞中的疗效。在HIV-1ADA攻击后10天,经RTV-NP处理的MDM的明场图像(20倍物镜)。当细胞在纳米抗逆转录病毒药物治疗后1天受到病毒攻击时,未见感染(A);注意大多数细胞的细胞质中存在纳米颗粒(NP)(A插图中箭头所示)。当细胞在纳米抗逆转录病毒药物治疗后10天暴露于病毒时出现感染(B),但感染程度明显低于未经纳米抗逆转录病毒药物处理的细胞(D);注意部分细胞中仍可见纳米颗粒(NP)(B插图中箭头所示),但数量少于纳米抗逆转录病毒药物治疗后第1天(A插图)。未经纳米抗逆转录病毒药物处理且未感染的细胞图像(C);注意细胞质中无纳米颗粒(NP)(C插图)。未经纳米抗逆转录病毒药物处理但暴露于HIV-1ADA的细胞图像(D)。
视频 1. MDM 细胞对红色标记的 RTV-NP 摄取能力差的活细胞共聚焦显微镜观察。MDM 细胞用绿色 Vybrant DiO 细胞标记溶液标记,并与红色标记的 RTV-NP 共同孵育。在 60 倍放大下,每 30 秒采集一次图像,持续 4 小时。点击此处观看视频
视频 2. MDM 细胞成功摄取红色标记 RTV-NP 的活细胞共聚焦显微镜观察。MDM 细胞用绿色 Vybrant DiO 细胞标记溶液标记,并与红色标记的 RTV-NP 共同孵育。在 60 倍放大下,每 30 秒采集一次图像,持续 4 小时。点击此处观看视频
纳米抗逆转录病毒疗法(NanoART)旨在改善HIV-1的治疗效果。我们提出了一种基于单核细胞-巨噬细胞的药物递送系统,作为将此类技术推向临床应用的第一步,同时也作为纳米制剂药物研发的实验室测试系统。我们以往的研究表明,该系统在该应用中具有可行性5,6。
在本报告中,我们阐述了合成常用HIV-1药物纳米颗粒(茚地那韦,IDV;利托那韦,RTV;依非韦伦,EFV;阿扎那韦,ATV)的方法。这些方法包括湿法研磨、均质化和超声处理。重要的是,我们的方法可对纳米抗逆转录病毒药物(nanoART)的物理特性(如尺寸、形状和电荷)进行调控5,6。通过谨慎选择表面活性剂,可将颗粒的电荷从强负电性调节至中性,再到强正电性。通过调整处理时间和强度,可控制颗粒尺寸,使其小至≤ 200 nm,或大至≥ 3 μm。颗粒的形状也可在一定程度上进行调控,但其可控性低于其他物理特性。例如,通过聚合物辅助超声处理可制备球形颗粒,而通过湿法研磨或均质化则可产生多面几何形状的颗粒。湿法研磨和均质化所产生的颗粒形状不同,但该过程依赖于分级方法,无法直接精确控制。这些制备方法的特性使研究人员能够便捷地按照精确的设计参数生产nanoART。这一点至关重要,因为nanoART的理化性质对其稳定性和细胞相互作用具有显著影响。例如,我们已证实,尺寸约为1 μm、带有强正电荷且呈多面几何形状的nanoART被巨噬细胞摄取的速度更快,在细胞内更稳定,并可在更长时间内持续释放6。
一种用于测试纳米抗逆转录病毒药物(nanoART)的方法被开发出来,该方法可简便地筛选纳米颗粒被巨噬细胞摄取、储存和释放的能力——巨噬细胞是HIV-1的主要靶细胞之一——同时评估其抑制病毒复制的能力。该方法有助于根据纳米ART的性能进行快速区分,并筛选出最有可能在后续研究中取得成功的候选制剂。 体内 因此,提高了开发用于人体的纳米抗逆转录病毒药物(nanoART)的效率和速度。
已有研究表明,当小鼠骨髓巨噬细胞被加载时 离体 通过静脉注射将携带纳米抗逆转录病毒药物(nanoART)并经适应性转移的人源化细胞注入HIV-1感染的小鼠体内后,这些细胞可迁移至活动性感染部位(包括中枢神经系统),并在长达两周的时间内释放药物以抑制病毒复制2-4此外,这些载有纳米抗逆转录病毒药物的细胞还能有效减少血浆、淋巴结、脾脏、肝脏和肺脏中病毒感染的细胞数量,并保护CD4+细胞2这些研究尽管尚处于初步阶段,但已表明细胞介导的纳米抗逆转录病毒药物递送系统可将具有临床意义剂量的药物分布至血液及感染组织中。由于在HIV-1感染小鼠研究中获得了令人鼓舞的初步结果,我们目前正在建立猴免疫缺陷病毒(simian immuno deficiency virus)感染的猕猴模型,以进一步评估纳米抗逆转录病毒药物在临床应用中的潜力。
未声明任何利益冲突。
本研究工作得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)资助项目1P01DA028555-01A1、2R01 NS034239、2R37 NS36126、P01 NS31492、P20RR 15635、P01MH64570和P01 NS43985(授予H.E.G.)的支持。作者感谢Robin Taylor女士对稿件的审阅以及在图形设计和文字方面的出色支持。我们感谢Steve Grzelak在湿法研磨技术方面的专业知识。我们还要感谢内布拉斯加大学林肯分校电子显微镜核心设施的Han Chen博士提供扫描电镜和透射电镜图像。最后,我们感谢Megan Marquart在活细胞共聚焦显微镜技术方面的专业支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 | |
|---|---|---|---|---|
| <强>纳米ART制造 | ||||
| 硫酸茚地那韦 | 试剂 | 中国上海,Longshem 公司 | Cas # 157810-81-6 | |
| 利托那韦 | 试剂 | 中国盛达制药公司,中国 | Cas # 155213-67-5 | |
| 硫酸阿扎那韦 | 试剂 | Gyma Laboratories of America INC | Cas # 198904-31-3 | |
| 依非韦伦 | 试剂 | 印度 Hetero Labs LTD | Cas # 154598-52-4 | |
| PVA | 试剂 | Sigma-Aldrich | P 8136 | |
| SDS | 试剂 | 伯乐(Bio-Rad) | 161-0301 | |
| 蔗糖 | 试剂 | Fluka | 84097 | |
| P188 | 试剂 | Sigma-Aldrich | P 1300 | |
| mPEG 2000-DSPE | 试剂 | Genzyme | LP-R4-039 | |
| Dotap | 试剂 | Avanti Polar Lipid, Inc | 890890 P | |
| Hepes | 试剂 | Sigma-Aldrich | 83264 | |
| PLGA 75:25 | 试剂 | Sigma-Aldrich | P1941 | |
| 二氯甲烷 | 试剂 | Acros Organics | 75-09-2 | |
| 甘露醇 | 试剂 | Sigma-Aldrich | M9546 | |
| CTAB | 试剂 | Sigma-Aldrich | H 9151 | |
| 分析天平 | 工具 | 丹佛仪器 | ||
| T-18 均质器 | 工具 | IKA | ||
| 超声波破碎仪 | 工具 | Cole-Parmer | ||
| 湿法研磨,MicroCer | 工具 | 耐驰细粒技术有限责任公司 | ||
| 匀浆器,EmulsiFlex-C5 | 工具 | Avestin, Inc. | ||
| Zeta电位仪 | 工具 | 马尔文仪器公司 | ||
| 气体分配系统 | 工具 | Victor Technologies | ||
| <强>体外测试 | ||||
| DMEM | 试剂 | Mediatech, Inc. | 10-013-CV | |
| 庆大霉素 | 试剂 | Invitrogen | 15710-064 | |
| 环丙沙星 | 试剂 | Sigma-Aldrich | 17850 | |
| 人源MCSF | 试剂 | Miltenyi Biotec | 130-093-964 | |
| 混合正常人血清 | 试剂 | Cole-Parmer | WU-88061-68 | |
| 6孔组织培养板 | 工具 | 康宁 | 3524 | |
| 甲醇(HPLC 级) | 试剂 | Fisher Scientific | A452SK-4 | |
| 1.7 ml 微量离心管 | 工具 | 国家科学公司 | CN1700GT | |
| 戊二醛溶液 | 试剂 | Sigma-Aldrich | 49632 | |
| 四氧化锇溶液 | 试剂 | Sigma-Aldrich | 75632 | |
| Centrifuge 5417R | 工具 | Eppendorf | 022621807 | |
| F-45-30-11 固定角转子 | 工具 | Eppendorf | 022636006 | |
| HIV-1ADA | 试剂 | |||
| HIV-1 p24小鼠单克隆抗体 | 试剂 | Dako | M0857 | |
| 显微镜载玻片盖玻片 | 工具 | Fisher Scientific | 12-548-5P | |
表中使用的缩写:IDV:茚地那韦;RTV:利托那韦;ATV:阿扎那韦;EFV:依法韦仑;PVA:聚乙烯醇;SDS:十二烷基硫酸钠;P188:泊洛沙姆188(又称普朗尼克F68);mPEG 2000-DSPE:甲氧基-聚乙二醇-二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺;DOTAP:(1-油酰基-2-[6-[(7-硝基-2-–1,3-苯并噁二唑-4-基)氨基]己酰基]-3-三甲基铵丙烷);PLGA:聚(乳酸-共-乙醇酸);CTAB:十六烷基三甲基溴化铵;DMEM:杜尔贝科改良伊格尔培养基’s 改良型伊格尔培养基;MCSF:巨噬细胞集落刺激因子;HPLC:高压液相色谱;HIV-1:人类免疫缺陷病毒-1 | ||||
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