Fabricación de concentrado, de oxígeno a base de lípidos microburbujas Emulsiones por High Shear Homogeneización y Concentración de serie

Resumen

Se describen métodos para la fabricación de grandes volúmenes de microburbujas de oxígeno a base de lípidos (LOM) diseñados para la administración intravenosa de oxígeno usando homogeneización de alta cizalladura y la concentración de serie.

Resumen

Microburbujas rellenas con gas que se han desarrollado como agentes de contraste de ultrasonidos y de administración de fármacos. Las microburbujas se pueden producir mediante el procesamiento de tensioactivos usando sonicación, agitación mecánica, dispositivos de microfluidos, o la homogeneización. Recientemente, las microburbujas de oxígeno a base de lípidos (LOM) han sido diseñados para suministrar oxígeno por vía intravenosa durante las emergencias médicas, revirtiendo la hipoxemia en peligro la vida, y la prevención de lesiones posteriores de órganos, paro cardíaco y muerte. Se presentan métodos para la producción a escala de microburbujas altamente oxigenados usando un homogeneizador de alta cizalla en bucle cerrado. El proceso puede producir 2 L de LOM concentrado (90% en volumen) en 90 min. Burbujas resultantes tienen un diámetro medio de ~ 2 m, y un perfil reológico compatible con la de la sangre cuando se diluye al 60% en volumen. Esta técnica produce LOM en alta capacidad y con una alta pureza de oxígeno, lo que sugiere que esta técnica puede ser útil para los laboratorios de investigación traslacional.

Introducción

Las microburbujas compuestas de la proteína, polímero, y cáscaras de lípidos se han desarrollado como vectores para la administración de fármacos, la terapia génica, y agentes de contraste de ultrasonido ^1-5. Debido a que estos usos terapéuticos requieren persistencia intravascular de microburbujas, tales microburbujas son comúnmente llenos con gases inertes, de alto peso molecular, tales como los perfluorocarbonos ^6, que tienen baja solubilidad en sangre y estabilizan la burbuja de ^3,4.

Recientemente, las microburbujas de oxígeno a base de lípidos (LOM) se han diseñado para administrar dosis terapéuticas de oxígeno, lo que puede preservar el suministro de oxígeno de los órganos diana y evitar la inestabilidad hemodinámica durante periodos de obstrucción de la vía aérea o la hipoxemia ^7. Emulsiones diseñados para la administración intravenosa de gas requieren diferentes características de diseño que los utilizados para los agentes de contraste de ultrasonido o la entrega de fármacos. En primer lugar, debido a que el cuerpo consume grandes volúmenes de gas de oxígeno (~ 200 ml / min), LOM deben ser producidos yinyectado a gran escala. Esto requiere que el proceso de fabricación sea eficiente. En segundo lugar, el proceso de fabricación debe ser de circuito cerrado con el fin de evitar la contaminación de nitrógeno a través de la exposición de LOM (que debe ser llenado con 100% de oxígeno) al aire ambiente. En tercer lugar, porque el propósito de LOM es la entrega de gas por vía intravenosa, la fracción de gas de LOM se debe maximizar, reconociendo las limitaciones impuestas por la viscosidad de la emulsión ^7. Finalmente, como con cualquier inyectable intravenosa, un control preciso sobre la distribución del tamaño de partícula es esencial para evitar la obstrucción microvascular ^8.

Hay varios métodos establecidos para la fabricación de microburbujas. La sonicación utiliza de alta intensidad, ultrasonido de baja frecuencia aplicada a la interfaz aire-líquido de una emulsión que incluye un agente tensioactivo, tal como un fosfolípido anfipático, en la presencia de un espacio de cabeza de gas para producir microburbujas ^7,9. Este proceso se puede controlar mediante la variación de ultrala frecuencia del sonido, la potencia y duración del pulso, y la distribución del tamaño resultante se pueden adaptar para producir microburbujas de una distribución de tamaño específica, aunque sonicación rara vez se utiliza en la fabricación de microburbujas utilizados clínicamente. Fusión es la intensa agitación mecánica de un agente tensioactivo y gas en un sistema cerrado, que es también difícil de escalar para acomodar grandes volúmenes ^2. Microfluídica basada en la gotita permite un control preciso de la distribución del tamaño de microburbujas ^10-13. Aunque tradicionalmente difícil de escalar, multicanal, microfluidos de alta velocidad se han descrito lo que aumenta la eficiencia de producción de microburbujas ^13. Las microburbujas fabricados utilizando cualquiera de estos métodos pueden requerir procesos de reducción de tamaño post-producción, tales como el fraccionamiento centrífuga ^14,15 y microburbujas de flotación ^16,17.

Otro método establecido para la fabricación de microburbujas altamente estables es homogeniz cizallamientoación ^6, que puede resultar en un patrón hexagonal de fosfolípido estabilizador sobre la superficie de microburbujas ^18. Sobre la base de este concepto, se describe la incorporación de un homogeneizador de alto cizallamiento en línea para crear auto-montaje de LOM ^19. En este proceso, el homogeneizador utiliza cuchillas que gira rápidamente en estrecha proximidad a finas pantallas duales emulsor de malla, la creación de alto cizallamiento mecánico e hidráulico para la creación de microburbujas. Concentración de serie de la emulsión de lípidos a través de este sistema se obtiene una fracción de gas cada vez más concentrada, que puede ser incluso concentra adicionalmente por centrifugación.

Protocolo

1. Sistema de Configuración

El sistema consta de una explotación y concentrando tanque (HCT) equipado con un único mezclador etapa, un homogeneizador de alta cizalla en línea, una bomba de rodillo para mover fluido entre el HCT y el homogeneizador, y un intercambiador de calor (Figura 1).

1. Coloque una esterilizados, de boca ancha 4 L recipiente de recogida de vidrio equipado con 2 puertos base y 3 puertos laterales debajo de la mesa de mezclas de una sola etapa. Bajar el cabezal mezclador a la boca del recipiente y asegurar un ajuste estanco a los gases con juntas de goma o cinta (con el fin de evitar que el aire ambiente a partir de la contaminación del espacio de cabeza).
2. Coloque uno de los puertos base (Figura 1, # puerto 1) del HCT con 3/8 estéril "(ID) tubo transparente, aproximadamente 10" de largo, provista de una llave de 3 vías en la punta para la recolección de la emulsión concentrada .
3. Montar el segundo puerto base (Figura 1, # puerto 2) con estériles de 3/8 "(ID) tubos, approximately 36 "de longitud. Alimentar este tubo a través de una bomba de rodillos. Coloque la entrada del homogeneizador de alta cizalla con una pieza en T que incluye dos puertos y conectar de la siguiente manera: conectar la tubería desde el puerto # 2, a través de la bomba de rodillos y conectar con el puerto lateral de la pieza en T. Conecte el otro puerto para un tanque de oxígeno utilizando un medidor de flujo de gas de oxígeno de bajo flujo.
4. Conectar el puerto de salida del homogeneizador de alto cizallamiento al puerto de entrada de un intercambiador de calor en línea se mantiene a 4 ° C. Conectar el puerto de salida del intercambiador de calor para el puerto de retorno de la HCT (Figura 1, el puerto # 3), la creación de un sistema de bucle cerrado.
5. Adjuntar un tanque de oxígeno (a través de un medidor de flujo) a la HCT (Figura 1, el puerto # 4). Conectar un monitor de la composición del gas que está abierto a la atmósfera para el puerto superior de la HCT (Figura 1, el puerto # 5).
6. Si se desea la esterilidad, esterilizar los componentes de vidrio y de metal antes de cada uso por autoclave. Esterilizar los componentes de tubos y co plásticonnectors por óxido de etileno antes de cada uso. Esto es especialmente importante si el producto va a ser probado in vivo.

2. LOM Fabricación

1. Colocar 20 g de GMP 1,2-diestearoil-sn-glicero-3-fosfocolina (DSPC) y 10 g de colesterol en la base de la HCT. Añadir 1 l de plasma-Lyte A a la HCT y agitar la mano durante 1 min, la integración tanto de lípidos como sea posible en la fase acuosa.
2. Bajar el mezclador de una sola etapa en la fase acuosa, asegurándose de que todo el cabezal de la batidora está cubierta por la fase acuosa. Asegúrese de que la parte superior de la HCT es tight gas (véase el paso 1.1 anterior) y que no hay puertos laterales abiertos. Encienda la fuente de gas conectado al puerto # 4 y esperar hasta que la fracción de oxígeno del espacio de cabeza HCT alcanza> 95%. A 10 L / min (LPM), esto se llevará ~ 10 min.
3. Uso del mezclador de una sola etapa, mezclar la emulsión precursora durante 5 min a 5000 rpm. La mezcla resultante debería aparecer de color blanco pálido y no contienen lipi visibled grumos. Una vez mezclado, mezcla lípido-agua no utilizada se puede almacenar a 4 º C durante un máximo de 30 días antes de un solo uso.
4. Primer el sistema de circuito cerrado con toda la emulsión precursora mediante la activación de la bomba de rodillos a 1.3 LPM. Una vez que el sistema está preparado, mantenga la bomba al 1,3 LPM.
5. Para comenzar la fabricación de las LOM, encienda el homogeneizador de alto cizallamiento en línea a 7.500 rpm. Inmediatamente después, gire en el flujo de oxígeno a la parte de entrada del homogeneizador a 0.5 LPM. Mantenga el mezclador de una sola etapa (en el HCT) sobre a 3.500 rpm. LOM se forman en la interfase de las palas del rotor y las pantallas de emulsor en el homogeneizador en línea (Figura 2). En cuestión de minutos, el líquido debe convertirse visiblemente más viscoso. Un enfoque más riguroso es determinar la viscosidad como una función del tiempo, lo que puede hacerse mediante la eliminación de partes alícuotas desde el puerto 1 durante la fabricación y el análisis con un viscosímetro.
   Nota: Si las burbujas de aire visibles están presentes en el tubo que sale de la mezcladora, de oxígenofluir al homogeneizador en línea es demasiado alto. Se valora por el flujo de gas hasta que el líquido es opaco y no contiene burbujas de gas visibles.
6. Ejecute el sistema durante 15 minutos, y luego apague la alta homogeneizador de cizallamiento y la entrada de oxígeno a la misma. Continuar para ejecutar el mezclador de una sola etapa en el HCT hasta que se retire la emulsión; Esto mitiga la separación de fases y mantiene el producto relativamente uniforme dentro de la HCT.
   Nota: El volumen de la emulsión lleno de gas debería aumentar aproximadamente 2 a 3 veces durante la fase de concentración de serie. Si no es así, compruebe para asegurarse de que el oxígeno está fluyendo hacia el homogeneizador de alta cizalla y que las concentraciones de lípidos en la emulsión precursora son correctas. Eficiencia de la producción disminuye a medida que disminuye la concentración de lípidos.

3. Colección, Concentración, evaluación y almacenamiento de LOM

1. Adjunte una estéril, modificado 140 ml jeringa luer-lock a la llave de paso de puerto base # 1 en el recipiente de recogida. Elaborar 100 ml de líquido. Estrechamente tapa de la jeringa y repetir hasta que todo el líquido se ha eliminado.
   1. Modificar jeringas mediante la retirada de 100 ml de aire en la jeringa y luego cortar la exceso de material de la jeringa de émbolo y por encima de la marca de 140 ml. Llenar y jeringas vacías utilizando fórceps dentadas para elaborar el émbolo. Esta modificación permite la centrifugación más fácil.
2. Jeringas centrífuga con el extremo tapado orientada hacia abajo en una refrigerada (4 º C) centrífuga cucharón a 225 g durante 10 min.
3. Tres capas de material aparecerán después de la centrifugación. Expulsar a la capa inferior de exceso de la fase acuosa turbia y deseche. La segunda capa es de color blanco brillante y contiene LOM concentrados. Transferencia de espuma concentrada a una jeringa impermeable a los gases usando una llave de paso de tres vías para evitar la contaminación gas ambiente. Desechar la capa final, que contiene gas oxígeno libre de LOM rotos.
4. Calidad de la espuma se puede evaluar por alcanzar ≥ 90% de gas de espuma concentrada. Calculcomió concentración de gas de la siguiente manera:
   Gas = Volumen% [(peso volumen de la espuma / espuma) - 1] x 100
   1. Como un control de segunda calidad, las microburbujas de tamaño por oscurecimiento de luz para determinar si el tamaño de partícula está dentro del rango esperado. Cabe señalar que un cambio en el tiempo de homogeneización o formulación podría alterar el tamaño de burbuja.
5. Estrechamente tapar la jeringa de vidrio con un racor Luer. LOM concentrados se pueden diluir con plasma-Lyte A en el momento de uso. Las jeringas se pueden almacenar a 22, 4, o -20 º C; temperaturas más frías pueden proporcionar una mayor estabilidad en el almacenamiento ^7.

Resultados

Homogeneización de alta cizalladura permite la producción eficiente (es decir, dentro de una tarde) de LOM suficientes para un estudio en animales y no requiere conocimientos técnicos. Una vez hábil, hasta 2 litros de LOM concentradas se puede fabricar en 90 min.

Tamaño de microburbujas y morfología se evaluó mediante microscopía óptica y por oscurecimiento de luz. Cuando se visualizó una muestra de 10 l de LOM, se observaron LOM esféricas, así como una relativa escasez de restos de...

Discusión

Los pasos más importantes para la creación de LOM concentrados, altamente oxigenados son: 1) asegurarse de que la cámara de aire dentro de la HCT sigue plenamente oxigenada; 2) asegurarse de que la pureza de los excipientes lipídicos es óptima (incluyendo las condiciones de almacenamiento y uso de productos GMP); 3) asegurar que los lípidos en polvo se mezclan completamente con la fase acuosa antes de imprimar el sistema; y 4) prestando mucha atención al aumento de la fracción de gas dentro de la HCT para asegurarse de ...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
1,2-distearoyl-sn-glicero-3-fosfocolina (DSPC)	Avanti Polar Lipids	770365	Producto alternativo: no GMP de NOF America (Coatsome MC-8080)
Colesterol	Sigma Aldrich	C75209
Plasma-Lyte A	VWR	80089-818	Alternativamente puede utilizar NaCl
Recipiente de recolección de vidrio	Specialty Glass, Inc.	Contacto personalizado	: Pam Zurbrick - 281-595-2210
Monitor de composición de gases (oxígeno)	Precision Medical	PM5900L
Bomba de rodillos Sarns 8000	Calicut Medical	16407	Parte de un sistema de perfusión modular
Intercambiador de calor BIOtherm	Medtronic	ECMOtherm-II
Verso mezclador en línea de laboratorio	Silverson Machines, Inc	TH-IL-102-VERSO	Utilice cabezales de trabajo multietapa y extensión frontal con pieza
en T Pieza en T para el puerto de entrada Silverson Verso	Innovaciones de proceso	Contacto personalizado	: Brian Leavitt - 508-423-2266
Mezclador de laboratorio L5M-A	Silverson Machines, Inc	NC0136483	Utilice malla de emulsión de malla (fina)
Pinza dentada Rochester-Ochsner	Jeringa Fisher Scientific	13-812-18
140 ml	Kendall Healthcare Monoject	8881114030	Asegúrese de que haya un bloqueo luer.
IX71 Microscopio de luz invertida	Olympus	IX71
Retiga-2000R cámara microscópica	QImaging	RET-2000R-F-M-12
Accusizer 780A Autodilución	PSS-NICOMP Sistemas de dimensionamiento de partículas	Fuera de producción