Herstellung von konzentrierten, Lipid-basierte Sauerstoffmikroblasen-Emulsionen von High-Shear-Homogenisierung und Serien Konzentration

Zusammenfassung

Wir beschreiben Methoden zur Herstellung großer Mengen von Lipid-basierten Sauerstoffmikrobläschen (LOMs) zur intravenösen Sauerstoffzufuhr ausgebildet mit hoher Scherung homogenisiert und serielle Konzentration.

Zusammenfassung

Gasgefüllte Mikrobläschen haben als Ultraschallkontrast und Drug-Delivery-Agenten entwickelt. Mikrobläschen können durch Verarbeiten Tenside mit Beschallung, mechanischer Agitation, mikrofluidischen Vorrichtungen oder Homogenisierung hergestellt werden. Kürzlich, Lipid-basierten Sauerstoff-Mikrobläschen (LOMs) wurden entwickelt, um Sauerstoff während der medizinischen Notfällen intravenös zu liefern, Rückfahrlebensbedrohlichen Hypoxämie und verhindert spätere Organschäden, Herzstillstand und Tod. Wir stellen Methoden für die vergrösserte Produktion von stark mit Sauerstoff-Mikrobläschen mit einem Closed-Loop-High-Shear Homogenisator. Das Verfahren kann 2 l konzentrierter LOMs (90 Vol.%) in 90 min zu erzeugen. Resultierende Blasen einen durchschnittlichen Durchmesser von ~ 2 um, und eine rheologische Profil in Übereinstimmung mit der von Blut, wenn sie 60 Vol.% verdünnt. Diese Technik erzeugt LOMs in hoher Kapazität und hoher Sauerstoffreinheit, was darauf hindeutet, dass diese Technik kann für die translationale Forschungslabors sein.

Einleitung

Mikrobläschen von Protein-, Polymer-und Lipidschalen zusammengesetzt sind als Vektoren für die Arzneimittelabgabe, Gentherapie, und Ultraschall-Kontrastmitteln ^1-5 entwickelt. Da diese therapeutische Anwendungen erfordern intravaskulären Mikroblasen-Persistenz, werden solche Mikroblasen häufig mit inerten, molekulare Gase hoch wie perfluorierte Kohlenwasserstoffe ^6, die geringe Löslichkeit im Blut haben und Stabilisierung der Blase ^3,4 gefüllt.

Kürzlich, Lipid-basierten Sauerstoff-Mikrobläschen (LOMs) wurden entwickelt, um therapeutische Dosen von Sauerstoff, der Endorgane Sauerstoffversorgung zu erhalten und hämodynamische Instabilität in Zeiten der Obstruktion der Atemwege oder Hypoxämie ⁷ verhindern können, zu liefern. Emulsionen zur intravenösen Gaszufuhr ausgelegt erfordern unterschiedliche Design-Merkmale als die für Ultraschallkontrastmittel oder gezielten Verabreichung von Medikamenten verwendet. Erstens, weil der Körper verbraucht große Mengen an Sauerstoffgas (~ 200 ml / min), ist LOMs erzeugt werden undim großen Maßstab injiziert. Dies erfordert, dass der Herstellungsprozess effizient. Zweitens sollte das Herstellungsverfahren mit geschlossener Schleife, um Stickstoffverunreinigung durch die Belichtung LOMs (die mit 100% Sauerstoff gefüllt werden soll) zu vermeiden, um die Umgebungsluft sein. Drittens, da der Zweck LOMs intravenös Gaszufuhr sollte der Gasanteil LOMs maximiert werden, wobei die Einschränkungen, die durch Emulsionsviskosität ⁷ auferlegt. Schließlich, wie bei jedem intravenös injizierbare ist eine genaue Kontrolle über die Partikelgrößenverteilung wesentlich zur Vermeidung mikrovaskuläre Obstruktion ^8.

Es gibt mehrere etablierte Methoden für die Herstellung von Mikrobläschen. Beschallung hoher Intensität verwendet, um die Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche einer Emulsion, die ein Tensid, wie ein amphipathisches Phospholipid in Gegenwart eines Gasraum auf ^7,9 Mikrobläschen erzeugen beinhaltet aufgebracht niederfrequenten Ultraschall. Dieses Verfahren ist durch Variieren UltraSchallfrequenz, Leistung und Impulsdauer, und die resultierende Größenverteilung hergestellt werden, um Mikrobläschen aus einem bestimmten Größenverteilung zu erzeugen, wenn der Beschallung nur selten bei der Herstellung von klinisch verwendeten Mikrobläschen verwendet werden. Verschmelzung ist die intensive mechanische Bewegung eines Tensids und Gas in einem geschlossenen System, das auch schwierig zu skalieren, um große Mengen ² aufzunehmen. Tröpfchenbasierte Mikrofluidik ermöglicht die präzise Steuerung der Mikroblasengrößenverteilung ^10-13. Obwohl traditionell schwierig zu skalieren, Multi-Channel-, High-Speed-Mikrofluidik beschrieben worden, die Effizienz in der Produktion von Mikrobläschen ¹³ zu erhöhen. Mikrobläschen mit einer dieser Methoden hergestellt wurden, können nach der Herstellung Zerkleinerungsprozesse, wie Zentrifugalfraktionierung ^14,15 und Mikroblasen-Flotation ^16,17 erforderlich.

Eine weitere etablierte Methode für die Herstellung von hochstabilen Mikrobläschen Scher homogenization ^6, die in einem Stabilisierungs Phospholipid hexagonalen Muster auf der Mikroblasenoberfläche ¹⁸ führen kann. Aufbauend auf diesem Konzept beschreiben wir den Einbau eines In-Line-Homogenisator mit hoher Scher zu selbstorganisierenden LOMs ¹⁹ erstellen. In diesem Prozess nutzt der Homogenisator schnell rotierenden Klingen in unmittelbarer Nähe zu Dual feinmaschigen Emulsor Bildschirme, wodurch hohe mechanische und hydraulische Schere für die Schaffung von Mikrobläschen. Serien Konzentration der Lipidemulsion durch dieses System liefert eine zunehmend konzentrierte Gasfraktion, die noch weiter durch Zentrifugation konzentriert werden kann.

Protokoll

1. System Set-up

Das System besteht aus einer Halte-und Konzentrationstank (HCT) mit einem Einzelstufen-Mischer, einem In-line-Homogenisator mit hoher Scherkraft, einer Walzenpumpe, um Fluid zwischen der HCT und dem Homogenisator zu bewegen, und einen Wärmetauscher (1) angebracht ist.

1. Legen Sie ein sterilisiert, Weithals 4 l Glassammlung mit 2 Basisanschlüsse und 3 Seitenöffnungen unterhalb der einstufigen Mischgefäß montiert. Senken Sie den Mischkopf bis zur Mündung des Schiffes und sorgen für eine gasdichte Montage mit Gummidichtungen oder Band (um Umgebungsluft verunreinigen den Kopfraum zu verhindern).
2. Setzen Sie einen der Basisanschlüsse (Abbildung 1, Port 1) der HCT mit steriler 3/8 "(ID) klare Schlauch, ca. 10" lang, mit einem 3-Wege-Hahn an der Spitze für die Sammlung der konzentrierten Emulsion versehen .
3. Setzen Sie den zweiten Basishafen (Abbildung 1, Port # 2) mit steriler 3/8 "(ID) Schläuche, approximately 36 "in der Länge. Ziehen Sie diese Schläuche durch eine Rollenpumpe. Setzen Sie den Eingang der Hochscher Homogenisator mit einem T-Stück mit zwei Ports und wie folgt anschließen: Verbinden Schlauch von Port # 2, durch die Rollenpumpe und eine Verbindung zu der Seite Port der T-Stück. Befestigen Sie den anderen Anschluss an ein Sauerstofftank mit einem Low-Flow-Sauerstoff-Gasdurchflussmesser.
4. Verbinden der Auslassöffnung des Homogenisators mit hoher Scherkraft mit der Einlassöffnung einer in-line-Wärmetauscher bei 4 ° C gehalten, Verbinden den Auslaß des Wärmetauschers zu dem Rücklaufanschluß des HCT (Fig. 1, Port Nr. 3), wodurch ein geschlossenes Schleifensystem.
5. Befestigen eines Sauerstofftank (über einen Durchflussmesser) an den HCT (Fig. 1, Port # 4). Bringen Sie einen Monitor, der Gaszusammensetzung der Atmosphäre offen in die obere Öffnung des HCT (Abbildung 1, Port # 5) ist.
6. Wenn Sterilität gewünscht wird, sterilisieren die Glas-und Metallkomponenten vor jeder Verwendung von Autoklaven. Sterilisieren Sie die Rohrkomponenten und Kunststoff Connectors von Ethylenoxid vor jeder Verwendung. Dies ist besonders wichtig, wenn das Produkt in vivo getestet werden.

2. LOM Herstellung

1. Platzieren von 20 g GMP 1,2-Distearyl-sn-glycero-3-phosphocholin (DSPC) und 10 g Cholesterin in der Basis des HCT. 1 l Plasma-Lyte A zu der HCT und Hand Rühren für 1 min, zu integrieren, so viel wie möglich in die Lipid wässrigen Phase.
2. Senken Sie den einstufigen Mischer in die wässrige Phase, so dass die gesamte Mischkopf wird von der wässrigen Phase bedeckt. Stellen Sie sicher, dass die Spitze des HCT ist gasdicht (siehe Schritt 1.1) und dass es keine offenen Seite Ports. Schalten Sie die Gasquelle an Port # 4 befestigt und warten, bis der Sauerstoffanteil der HCT Headspace erreicht> 95%. Bei 10 L / min (LPM), sollte diese nehmen ~ 10 min.
3. Mit dem einstufigen Mixer, mischen Sie die Ausgangsemulsion für 5 min bei 5.000 Umdrehungen pro Minute. Die resultierende Mischung sollte blass weiß erscheinen und enthalten keine sichtbaren lipid Klumpen. Einmal gemischt, kann ungenutzt Lipid-Wasser-Mischung bei 4 º C für bis zu 30 Tage vor einmaligen Gebrauch gespeichert werden.
4. Prime das gesamte System mit geschlossener Schleife mit der Vorstufen-Emulsion, indem der Rollenpumpe bei 1,3 LPM. Sobald das System grundiert, halten Sie die Pumpe auf 1,3 LPM.
5. Zur Herstellung der LOMs beginnen, schalten Sie die In-Line-Homogenisator mit hoher Scher zu 7.500 Umdrehungen pro Minute. Unmittelbar danach schalten Sauerstofffluss zu dem Einlassabschnitt der Homogenisator bei 0,5 LPM. Halten Sie die stufigen Mixer-Single (in der HCT) auf 3.500 Umdrehungen pro Minute. LOMs sind an der Schnittstelle der Rotorschaufeln und den Emulsor Abschirmung innerhalb des in-line-Homogenisator (Fig. 2) ausgebildet. Innerhalb weniger Minuten sollte Flüssigkeit sichtbar mehr viskos werden. Ein strengerer Ansatz ist, um die Viskosität als Funktion der Zeit, die durch Entfernen von Aliquoten aus Port 1 während der Herstellung und Analyse mit einem Viskosimeter durchgeführt werden können, zu bestimmen.
   Hinweis: Bei sichtbaren Luftblasen im Schlauch Verlassen des Mischers, Sauerstoff vorhanden sindfließen, um die in-line-Homogenisator ist zu hoch. Titriert Gasstrom nach unten, bis die Flüssigkeit ist undurchsichtig und enthält keine sichtbaren Gasblasen.
6. Führen Sie das System für 15 Minuten, und schalten Sie dann den hohen Scher Homogenisator und der Sauerstoffeingang zu. Fahren Sie mit dem einstufigen Mischer in der HCT laufen, bis die Emulsion entfernt wird; Dies mildert Phasentrennung und hält das Produkt im HCT relativ einheitlich.
   Hinweis: Das Volumen des gasgefüllten Emulsion sollte ca. 2-3x in der Serienphase Konzentration zu erhöhen. Wenn es nicht, zu überprüfen, um sicherzustellen, daß Sauerstoff in den Homogenisator mit hoher Scher fließt und dass Lipid-Konzentrationen in der Ausgangsemulsion korrekt sind. Effizienz der Produktion nimmt mit Lipid-Konzentration abnimmt.

3. Sammlung, Konzentration, Bewertung, Lagerung von LOMs

1. Bringen Sie eine sterile, modifizierte 140 ml Luer-Lock-Spritze, um den Hahn zu Basis-Port # 1 auf dem Sammelgefäß angebracht. Zeichnen bis 100 ml Flüssigkeit. Verschließe Spritze und Wiederholen, bis alle Flüssigkeit entfernt wurde.
   1. Ändern Spritzen durch Entnahme von 100 ml Luft in die Spritze und dann sägen Sie das überschüssige Kolben und Spritzenmaterial über der 140-ml-Marke. Füllen und leere Spritzen mit Zahnzangen für die Erstellung des Kolbens. Diese Modifikation ermöglicht eine einfachere Zentrifugieren.
2. Centrifuge Spritzen mit der bedeckten Ende nach unten in einem gekühlten (4 º C) Becherzentrifuge bei 225 g für 10 min ausgerichtet.
3. Drei Schichten von Material nach dem Zentrifugieren erscheinen. Vertreibt die untere Schicht der Über bewölkt wässrige Phase und entsorgen. Die zweite Schicht ist hell weiß und enthält konzentrierte LOMs. Übertragen konzentrierter Schaum zu einer gasundurchlässigen Spritze mit einem Drei-Wege-Hahn auf Umgebungsgaskontamination zu vermeiden. Entsorgen Sie die letzte Schicht, die freie Sauerstoffgas aus geplatzten LOMs enthält.
4. Schaumqualität kann durch das Erreichen ≥ 90% Gas konzentrierter Schaum beurteilt werden. Calculaß Gaskonzentration, wie folgt:
   Volume% Gas = [(Foam Gewicht / Volumen-Schaum) - 1] x 100
   1. Als zweite Qualitätskontrolle, der Größe von Mikrobläschen Lichttrübung festzustellen, ob Partikelgröße innerhalb des erwarteten Bereichs. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Änderung in der Zeit der Homogenisierung oder Formulierung kann die Blasengröße zu verändern.
5. Verschließe das Glasspritze mit Luer-Lock-Montage. Konzentrierte LOMs mit Plasma-Lyte A zum Zeitpunkt der Verwendung verdünnt werden. Spritzen bei 22, 4 gespeichert werden, oder -20 º C; kälteren Temperaturen kann eine verbesserte Lagerstabilität ^7.

Ergebnisse

Hohe Scher Homogenisierung ermöglicht die effiziente (dh innerhalb eines Nachmittags) die Produktion von ausreichend LOMs für eine Tierstudie und nicht technisches Know-how erfordern. Sobald beherrschen, bis 2 l konzentrierter LOMs in 90 min hergestellt werden.

Mikroblasen-Größe und Morphologie wurde durch Lichtmikroskopie und durch Lichttrübung bewertet. Wenn ein 10 &mgr; l-Probe von LOMs visualisiert wurde, wurden kugelförmige LOMs erwähnt, sowie eine relativ geringe Menge an ...

Diskussion

Die wichtigsten Schritte zur Schaffung konzentrierte, hoch sauerstoffhaltigen LOMs gehören: 1) sicherzustellen, dass der Kopfraum in der HCT bleibt voll mit Sauerstoff angereichert; 2) sicherstellen, dass die Reinheit der Lipidträger optimal ist (einschließlich Lagerbedingungen und Verwendung von GMP-Produkte); 3) die Gewährleistung, dass die pulverförmigen Lipiden mischen vollständig mit der wässrigen Phase vor, um die System Grundierung; und 4) aufmerksam auf die Erhöhung der Gasfraktion im HCT zu gewährleisten, dass ...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholin (DSPC)	Avanti Polare Lipide	770365	Alternativprodukt: non-GMP from NOF America (Coatsome MC-8080)
Cholesterol	Sigma Aldrich	C75209
Plasma-Lyte A	VWR	80089-818	Alternativ kann das NaCl-Glassammelgefäß
	Specialty Glass, Inc.		Kundenspezifischer Kontakt: Pam Zurbrick - 281-595-2210
Monitor für die Gaszusammensetzung (Sauerstoff)	Precision Medical	PM5900L
Sarns 8000 Rollenpumpe	Calicut Medical	16407	Teil eines modularen Perfusionssystems
BIOtherm Wärmetauscher	Medtronic	ECMOtherm-II
Verso Labor-Inline-Mischer	Silverson Machines, Inc	TH-IL-102-VERSO	Verwenden Sie mehrstufige Werkstückköpfe und Front-End-Verlängerung mit T-Stück
T-Stück für den Silverson Verso Einlassanschluss	Prozessinnovationen	Kundenspezifischer	Kontakt: Brian Leavitt - 508-423-2266
L5M-A Labormischer	Silverson Machines, Inc	NC0136483	Verwenden Sie ein Mesh-Emulsorsieb (fein)
Rochester-Ochsner Zahnzange	Fisher Scientific	13-812-18
140 ml Spritze	Kendall Healthcare Monoject	8881114030	Stellen Sie sicher, dass ein Luer-Lock vorhanden ist.
IX71 Inverses Lichtmikroskop	Olympus	IX71
Retiga-2000R Mikroskopkamera	QImaging	RET-2000R-F-M-12
Accusizer 780A Autodilution	PSS-NICOMP Partikelgrößenmesssysteme	Nicht mehr produziert