本文描述了一种制备和表征Griffithsin修饰的聚乳酸-羟基乙酸电纺纤维的方法,该纤维对1型人类免疫缺陷病毒感染具有强效的黏附性和抗病毒活性 体外描述了用于合成、表面修饰以及表征经表面修饰纤维上Griffithsin的形态、偶联和解吸附的方法。
方法文章
* These authors contributed equally
本文描述了一种制备和表征Griffithsin修饰的聚乳酸-羟基乙酸电纺纤维的方法,该纤维对1型人类免疫缺陷病毒感染具有强效的黏附性和抗病毒活性 体外描述了用于合成、表面修饰以及表征经表面修饰纤维上Griffithsin的形态、偶联和解吸附的方法。
静电纺丝纤维(EFs)已广泛应用于多种治疗领域,但将其用于预防和治疗性传播感染(STIs)的技术尚属新兴。此外,目前许多静电纺丝技术主要关注将活性成分包封于纤维内部,而非利用纤维表面赋予其生物功能特性。本文介绍一种制备并进行表面修饰聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)静电纺丝纤维的方法,使其表面负载强效抗病毒凝集素——Griffithsin(GRFT)。PLGA 是一种经美国食品药品监督管理局(FDA)批准的聚合物,因其优异的化学稳定性和生物相容性,已被广泛应用于药物递送系统。GRFT 是一种天然、高效且安全的凝集素,对包括1型人类免疫缺陷病毒(HIV-1)在内的多种病毒具有广谱抑制活性。研究表明,经 GRFT 修饰的纤维可有效灭活 HIV-1。 体外本文描述了制备和表征GRFT修饰电纺纤维(EFs)的方法。首先,采用静电纺丝技术制备聚(乳酸-羟基乙酸共聚物)(PLGA)纤维支架。随后,利用1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)化学法对纤维表面进行GRFT修饰。采用扫描电子显微镜(SEM)评估表面修饰后纤维的尺寸与形貌。此外,可使用基于gp120或血凝素(HA)的酶联免疫吸附试验(ELISA)定量测定结合至纤维表面的GRFT含量及其从表面的解吸附情况。该方案可广泛应用于制备多种不同蛋白质表面修饰的纤维材料。 关键词:电纺纤维,PLGA,GRFT,表面修饰,EDC/NHS化学法,扫描电子显微镜,ELISA,gp120,血凝素,蛋白质固定化
将电纺纤维(EFs)用作局部递送平台有望显著降低性传播感染(STIs)的发生率。目前,全球有超过3600万人感染人类免疫缺陷病毒(HIV),仅2015年就报告了超过200万例新发病例1,2。此外,单纯疱疹病毒2型(HSV-2)感染影响着全球数亿人,并已被证明可使HIV感染风险增加2至5倍3。鉴于HSV-2感染与HIV易感性之间的关联,人们迫切希望开发出能够同时预防多种性传播感染的新活性成分。此外,开发新型递送载体以改善这些抗病毒药物的递送效果,有望进一步提高其防护和治疗效力。为此,研究人员已探索将电纺纤维(EFs)作为一种新型递送平台,以降低HIV-1和HSV-2感染的流行率。
在过去的二十年中,电纺丝纤维(EFs)已被广泛应用于药物递送和组织工程领域4。通常选择生物相容性聚合物,以便更顺利地转化为治疗应用。制备聚合物电纺丝纤维时,根据聚合物疏水性的不同,将其溶解于有机溶剂或水溶液中5。在电纺丝过程开始前,将目标活性物质加入该溶剂或水溶液中。随后将聚合物溶液吸入注射器,并在施加电场的情况下缓慢喷出。该过程通常形成具有片状或圆柱状宏观结构的聚合物纤维(图1),其纤维直径范围从微米级到纳米级不等6。在大多数治疗应用中,活性物质在电纺丝过程中被包埋于纤维内部,并通过扩散及纤维后续降解而释放。通过选用不同类型的聚合物或聚合物混合物,可调节降解或释放速率,从而实现理想的释放曲线,赋予纤维独特的化学和物理特性7,并促进几乎所有类型化合物的包封。因此,电纺丝纤维已被证实有利于小分子药物以及生物活性物质的递送,包括蛋白质、多肽、寡核苷酸和生长因子等6,8,9。
在性传播感染(STI)预防领域,电纺纤维(EFs)最近已被用于包载抗病毒药物,并实现药物的持续释放或可诱导释放10,11,12,13,14,15,16,17,18,19。在最早的研究之一中,研究人员开发了pH响应性纤维,可在女性生殖道(FRT)内环境变化时释放活性成分,从而实现按需防护HIV-1感染11。此后,其他研究探索了由聚环氧乙烷(PEO)和聚-L-乳酸(PLLA)组成的聚合物共混体系,以评估抗病毒药物和避孕药物在体外条件下可调控的释放性能,用于HIV-1预防与避孕in vitro12。另有研究已证实电纺纤维具备以下可行性:小分子抗病毒药物的长效释放14、优异且柔韧的机械性能20、三维递送结构21、抑制精子穿透能力12,以及与其他递送技术整合的能力13。最后,既往研究还评估了聚合物纤维对常见共感染病毒(如HSV-2和HIV-1)抗病毒药物的持续递送效果14。在该研究中,聚合物纤维通过在长达一个月的时间内保持其结构完整性,并形成阻止病毒进入的物理屏障,从而在抗病毒递送之外提供了辅助作用。根据这些结果可知,电纺纤维可能通过物理和化学双重机制抑制病毒感染。
尽管可调控的释放特性使聚合物电纺丝纤维(EFs)成为微生物杀灭剂递送的有吸引力的递送平台,但EFs也已在其他应用中被开发为表面改性的支架7。EFs已被用于模拟细胞外基质(ECM)的形态,常作为支架以促进细胞再生22,并增强其在组织工程中的应用价值23,24。由聚-ε-己内酯(PCL)和聚-L-乳酸(PLLA)等聚合物构成的纤维在电纺丝后可通过表面修饰生长因子和蛋白质,赋予其类似ECM的特性,包括增强细胞黏附和增殖能力25,26。此外,具有抗菌功能的表面改性EFs也已被评估,用于抑制特定致病菌的生长27,28。由于其多功能性以及诱导生物学效应的能力,EF技术正持续拓展至多个领域,实现多机制功能。然而,尽管表面改性纤维在多种应用中具有实用性,其在微生物杀灭剂领域的探索却仅始于近期29。
在开发用于预防和治疗性传播感染(STIs)的新型递送技术的同时,新型生物治疗剂也已相继问世。其中最有前景的候选微杀剂之一是具有黏附性的抗病毒凝集素GRFT30。GRFT最初来源于一种红藻,已被证实可有效抑制HIV、HSV-2、SARS以及丙型肝炎病毒(Hepatitis C virus)31,32,33,34,35,36。事实上,在所有基于生物来源的抑制剂中,GRFT表现出最强的抗HIV活性,几乎在接触后立即灭活HIV-130,并在阴道微生物培养基中保持长达10天的稳定性和活性37。最近研究显示,0.1% GRFT凝胶可保护小鼠免受阴道内HSV-2攻击,使其成为预防HSV-2和HIV-1感染的首选候选制剂之一32,38。针对HIV,GRFT通过直接结合病毒包膜表面的gp120或末端甘露糖N-连接聚糖残基,从而在物理上阻断病毒进入细胞38,39,40,41,42。该抑制作用极为高效,其IC50值接近3 ng/mL43。除抑制HIV感染外,研究还表明GRFT可通过抑制HSV-2病毒的细胞间传播来提供保护作用32。在所有情况下,GRFT均表现出对病毒颗粒的强黏附性,同时具有高度抗变性能力。最后,GRFT与替诺福韦(Tenofovir, TFV)及其他抗病毒药物联用时表现出协同效应44,因此与EF技术联合给药具有可行性且可能更具优势。GRFT强大的生物学特性使其成为一种极具潜力的生物来源抗病毒候选分子,而EF技术有望进一步增强其递送效果。
基于对凝集素GRFT的黏附性和固有抗病毒特性的了解,我们设计了一种聚合物纤维支架,整合这些特性以实现对病毒入侵的第一道屏障抑制作用29。受宫颈阴道黏液主要通过黏蛋白的黏附作用阻碍病毒传播机制的启发,我们提出假设:若以电纺纤维(EFs)作为支架,并在其表面共价修饰GRFT,则高密度的表面结合GRFT可在病毒入侵的初始位置使其失活并丧失感染能力45,46,47。本研究中,EFs被开发为一种固定的支架结构,用以构建基于蛋白质的病毒黏附-失活屏障平台。我们旨在将GRFT强大的抗病毒活性与一种生物相容性好、可修饰且耐用的聚合物平台相结合,从而构建一种新型的病毒"捕获装置"。
为实现这些目标,采用静电纺丝技术制备了由PLGA组成的纤维,并利用EDC-NHS化学方法随后在EF表面修饰GRFT。PLGA被用作模型聚合物,因其在静电纺丝中被广泛使用48,同时具备良好的生物相容性和成本效益。此外,表面修饰可利用EFs的巨大表面积,提供一种有用的方法,可与包埋技术结合使用,以最大化纤维的效用49。与传统包埋方法相比(在传统方法中仅有部分GRFT可用,且在女性生殖道中仅短暂存在),表面修饰可能使GRFT在整个治疗期间保持最大生物活性。此外,通过传统的静电纺丝方法引入亲水性化合物(如蛋白质)可能导致包封效率降低以及蛋白质活性丧失50。因此,经GRFT表面修饰的纤维可能提供一种有前景的递送方法,既可单独使用,也可与静电纺丝技术联合使用,以增强对性传播感染的防护作用。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. 静电纺丝纤维支架的制备与构建
警告:所有涉及溶剂或聚合物溶液的操作均应在化学通风橱中进行。 开始实验前,请参阅每种试剂的材料安全数据表。
2. 使用 GRFT 对纤维进行表面修饰
3. GRFT 表面修饰纤维的扫描电镜表征
4. 从表面修饰的纤维中提取GRFT
5. 测定GRFT从纤维上的解吸
6. 通过 ELISA 定量分析 GRFT 的提取与解吸
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
纤维形态对表面修饰的电纺纤维(EFs)抵抗病毒的能力具有显著影响。尽管静电纺丝是一种方便且直接的方法,但未经优化的聚合物配方可能导致纤维形态不规则(图5B-C)。静电纺丝条件的改变若导致串珠状或无定形膜状结构的形成,通常是由溶剂与聚合物不相容、聚合物黏度低、流速或其他静电纺丝参数引起的。纤维结构的这些变化可能导致载药纤维的药物释放曲线不同,或影响偶联效率的一致性,从而改变纤维在物理或化学上阻碍病毒穿透的能力。采用所述静电纺丝条件制备的PLGA电纺纤维应具有清晰可辨的纤维形态,直径范围在1.5至2.8 µm之间(图6)。为确定纤维形态和直径,在进行其他表征或修饰步骤之前,应使用扫描电子显微镜(SEM)对电纺纤维进行观察。
空白、0.05、0.5 和 5 nmol GRFT 纤维的扫描电镜图像显示,纤维形...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
由于具有多孔结构和较大的比表面积,电纺纤维(EFs)已在医疗健康领域获得多种应用,其中之一是作为治疗剂的递送载体。药物及其他活性物质可被包载于电纺纤维内部,实现可调控的释放;同时,生物分子和化学配体也可共价连接至纤维表面,以实现细胞特异性靶向52或生物传感53。本文描述了表面修饰凝集素GRFT的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)电纺纤维(GRFT-EFs)的制备方法,该纤维可作为预防HIV感染的递送支架。GRFT-EFs通过静电纺丝技术合成,相较于其他纤维制备方法,具有成本低、产量高的优势49,53。
实验方案中的关键步骤
电纺纤维(EFs)的形成在很大程度上依赖于聚合物溶液的性质,特别是溶液或溶剂的黏度54。影响聚合物溶液黏度的因素包括聚合物的分子量、聚合物浓度以及所用溶剂的种...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢卓越犹太遗产基金对本研究的资助。感谢斯图尔特·威廉姆斯二世博士 慷慨提供静电纺丝系统的使用。我们还要感谢肯尼斯·帕尔默博士为我们提供甘露糖结合蛋白Griffithsin。此外,我们感谢诺布尤基·松田博士及其实验室团队为我们提供了GRFT ELISA实验技术的培训。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 聚(乳酸-共-乙醇酸)(PLGA)50:50 | Lactel | B6013-2P | |
| 1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFIP) | Thermo Scientific | 147541000 | |
| 钝头分液针 18g × 1/2 | Brico Medical Supplies | BN1815 | |
| BD 3 mL 注射器 鲁尔锁头 | VWR | 309657 | |
| Parafilm(塑料膜) | Sigma Aldrich | P7793 | |
| 2-(N-吗啉代)乙磺酸(MES缓冲液) | Sigma Aldrich | M3671 | |
| 氯化钠 | Sigma Aldrich | S7653 | |
| 氯化钾 | Sigma Aldrich | P9333 | |
| 磷酸氢二钠 | Sigma Aldrich | S7907 | |
| 磷酸二氢钾 | Sigma Aldrich | P0662 | |
| 羟基琥珀酰亚胺(NHS) | Thermo Scientific | 24500 | |
| 1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC) | Thermo Scientific | 22980 | |
| 2-巯基乙醇 | Fisher | BP176 | |
| 裂殖藻素(GRFT) | Kentucky Bioprocessing | NA | 定制生产,无产品编号 |
| 二甲基亚砜 | Milipore | 317275 | |
| 聚乙二醇失水山梨醇单月桂酸酯(吐温20) | Sigma Aldrich | P9416 | |
| Tris EDTA缓冲液 | Sigma Aldrich | 93283 | |
| 平底免疫非无菌96孔板 | Thermo Scientific | 3355 | |
| 流感病毒血凝素(HA) | Kentucky Bioprocessing | NA | 定制生产,无产品编号 |
| 山羊抗GRFT一抗 | Kentucky Bioprocessing | NA | 定制生产,无产品编号 |
| 兔抗山羊IgG-HRP二抗 | Santa Cruz | 2056 | |
| Sure Blue TMB微孔过氧化物酶底物 | KPL | 52-00-00 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可