Modulación de la forma de polimerosomas a base de poliéster mediante presión osmótica
21 de abril de 2021
Los polimerosomas son vesículas poliméricas autoensambladas que se forman en formas esféricas para minimizar la energía libre de Gibb. En el caso de la administración de fármacos, las estructuras más alargadas son beneficiosas. Este protocolo establece métodos para crear polimerosomas más parecidos a varillas, con relaciones de aspecto alargadas, utilizando sal para inducir presión osmótica y reducir los volúmenes internos de vesículas.
La forma de las nanopartículas influye en la absorción celular, pero se ha realizado un trabajo limitado para cambiar la forma de los polimerosomas. Este protocolo demuestra cómo alargar los polimerosomas para aplicaciones mejoradas de administración de fármacos. Esta técnica proporciona un enfoque simple que puede crear muchas formas polimerosómicas diferentes con aplicaciones potenciales en la administración de fármacos, pseudocélulas o para otros campos inexplorados.
Los polimerosomas alargados pueden administrar simultáneamente fármacos hidrófobos e hidrófilos y más fácilmente a las células. Esta técnica podría ayudar a transportar medicamentos a través de la barrera hematoencefálica, abordando un desafío médico importante. Para comenzar, disuelva 0,015 gramos de poliéster seleccionado en un mililitro de DMSO mediante vórtice durante 15 minutos y configure el aparato de inyección de disolvente.
Coloque la placa de inicio directamente debajo de la bomba de jeringa vertical, luego coloque una bilis de vidrio de cinco mililitros con un mililitro de agua desionizada tipo dos en una barra de estrellas en miniatura en la placa de agitación. Ajuste la altura de las bombas de la jeringa para permitir que la punta de la aguja se sumerja completamente en agua desionizada tipo dos y ajuste la velocidad de infusión de la bomba de la jeringa a cinco microlitros por minuto. Realice la inyección de disolvente extrayendo el disolvente orgánico y la solución de poliéster en una aguja de calibre 27.
Coloque la aguja en la bomba de la jeringa y asegúrese de que esté segura. Ajuste el bloque del empujador para tocar el extremo del émbolo de la jeringa. Encienda la placa de agitación para que el agua gire a 100 revoluciones por minuto y luego inicie la bomba de la jeringa.
Una vez que la bomba de la jeringa haya infundido completamente el disolvente orgánico y el polímero en el agua, retire la barra de agitación y tapice el vidrio vil. Para la caracterización del polimersoma a través de dispersión dinámica de luz o DLS, agregue un mililitro de agua con un pequeño porcentaje de disolvente orgánico y polímero a una cubeta de un mililitro. Realizó DLS colocando la cubeta en el sistema y configurando la ejecución.
Lea el diámetro ponderado de intensidad del polimersoma y el índice de polidispersidad o PDI. Después de lavar una membrana de diálisis de 300 kilodalton de acuerdo con los protocolos proporcionados por el fabricante, agregue un mililitro de solución de polimerosoma en el depósito del dispositivo de diálisis. Coloque el dispositivo de diálisis en el beaker de 250 mililitros con 150 mililitros de agua desionizada tipo dos en una placa de agitación.
Ajuste la placa de agitación a una velocidad que permita un movimiento suave del dispositivo de diálisis y déjela remover durante la noche. Una vez completada la diálisis, extraiga la solución polimersómica de un mililitro del dispositivo de diálisis. Cree 150 mililitros de tampón de sal deseado con una concentración de cloruro de sodio de 50, 100 o 200 milimolares basada en las propiedades polimersómicas finales deseadas y mantenga la carga del dispositivo de diálisis en 150 mililitros de solución salina durante 18 horas para agitar.
Después de la modulación de la forma, realice mediciones DLS. Preste especial atención a las mediciones de PDI en comparación con los polimerosomas espirituales, ya que un cambio en la PDI sugiere un cambio de forma efectivo en los polimerosomas. Utilice los controles adecuados para la obtención de imágenes, especialmente los polimerosomas no modulados por forma para garantizar el éxito del método.
La observación TEM de polímerosomas basados en PEG-PLA indica una estructura esférica general con una línea exterior más gruesa que es indicativa de una membrana. Los polimerosomas se presentan como estructuras físicas y SEM con un cepillo como capa exterior de PEG. Una hora de diálisis en agua condujo al mismo diámetro promedio general con la eliminación de solventes disminuyendo el diámetro del polimersoma.
Cuando se utilizan concentraciones iniciales más grandes de disolvente orgánico, se esperan disminuciones de diámetro más grandes. Al fabricar los polimerosomas PEG-PLA, se esperan cambios modestos en la PDI, lo que puede indicar un cambio en la forma. Al dialización de los polimerosomas PEG-PLGA, que son ligeramente más hidrófobos que los polímeros PEG-PLA contra la sal, el aumento de la PDI es más consistente con el alargamiento con todos los gradientes de sal explorados que conducen a un aumento de la PDI.
Se deben observar resultados similares cuando se usa un gradiente de sal de 50 milimolares para causar un cambio de forma independientemente de la hidrofobicidad del poliéster. Mientras tanto, los gradientes de sal de cloruro de sodio milimolares de 100 y 200 muestran la tendencia directa de que delta PDI aumenta con el aumento de la hidrofobicidad del poliéster. Las imágenes TEM de polimerosomas PEG-PLA dializadas con 50 millones de cloruro de sodio más bajo se mostraron con estomatocitos y varillas alargadas.
A medida que la concentración de sal aumentó a 100 milimolares, se observó un mayor número de formación de bastones con un número disminuido de estomatocitos. Diálisis contra polimerosomas 200 milimolares formados de manera más consistente prolatos con proporciones de aspecto modestas. La parte más desafiante de este protocolo es hacer que el polimero sea consistente.
Por lo tanto, es importante practicar el procedimiento.
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Visión general
Este artículo presenta un protocolo para crear polimerósomas alargados, que son vesículas poliméricas autoensambladas beneficiosas para la administración de medicamentos. Mediante el uso de sal para inducir presión osmótica, los volúmenes internos de las vesículas se reducen, resultando en estructuras similares a varillas.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Biomateriales
- Sistemas de administración de medicamentos
- Nanotecnología
Antecedentes
- Los polimerósomas son típicamente esféricos para minimizar la Energía Libre de Gibb.
- Los polimerósomas alargados pueden mejorar la captación celular de medicamentos.
- La investigación limitada se ha enfocado en alterar la forma de los polimerósomas.
- Este estudio tiene como objetivo abordar la necesidad de diferentes formas de polimerósomas para varias aplicaciones.
Propósito del estudio
- Demostrar un método para alargar los polimerósomas.
- Mejorar las capacidades de administración de medicamentos de los polimerósomas.
- Explorar posibles aplicaciones en la administración de medicamentos y pseudo células.
Métodos utilizados
- Disolver 0.015 gramos de poliéster seleccionado en un mililitro de DMSO.
- Vortexear la solución durante 15 minutos.
- Configurar el aparato de inyección de solvente.
- Utilizar la presión osmótica para crear polimerósomas alargados.
Resultados principales
- Se crearon con éxito polimerósomas alargados con relaciones de aspecto mejoradas.
- Se demostró la capacidad de administrar medicamentos tanto hidrofóbicos como hidrofílicos.
- Se mostró potencial para transportar medicamentos a través de la barrera hematoencefálica.
- Se proporcionó un enfoque simple para generar varias formas de polimerósomas.
Conclusiones
- La técnica ofrece un método prometedor para mejorar los sistemas de administración de medicamentos.
- Los polimerósomas alargados pueden abordar importantes desafíos médicos.
- La exploración adicional de las formas de polimerósomas podría conducir a nuevas aplicaciones.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
Polymersome shape directly impacts cellular uptake and drug delivery efficiency, with spherical geometries limiting therapeutic potential in vascular targeting. This salt-based osmotic modulation method enables controlled elongation of PEG-based polymersomes, improving margination in larger blood vessels and enhancing endothelial targeting. The approach supports dual-loading of hydrophobic and hydrophilic payloads while maintaining long-circulating properties, addressing key barriers in nanomedicine development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of shape-dependent biological interactions and membrane trafficking pathways.
- Operational Value: Provides a tunable system for evaluating how aspect ratio influences target engagement and cellular internalization.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by correlating polymer hydrophobicity with shape transformation under defined osmotic conditions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates monodisperse, shape-defined nanoparticle populations for consistent compound screening.
- Operational Value: Uses DLS and PDI as quantitative, scalable readouts for monitoring shape modulation efficacy across salt gradients.
- Assay Readiness: Produces elongated polymersomes suitable for high-throughput evaluation of drug release kinetics and biodistribution profiles.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Aligns with disease-relevant systems where nanoparticle margination in veins enhances endothelial targeting.
- Operational Value: Enables preclinical evaluation of elongated polymersomes in models of vascular delivery and blood-brain barrier penetration.
- Risk Mitigation: Reduces late-stage failure risk by validating shape-function relationships early in discovery.
Pipeline & Workflow Integration
This method fits within the discovery-to-preclinical continuum by enabling shape optimization after initial polymersome formulation, supporting lead identification through functional screening, and informing preclinical advancement via predictive biophysical profiling.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing on how nanoparticle geometry affects biodistribution and target cell engagement.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs (DLS intensity, PDI shifts) for comparing polymer-solvent-salt conditions.
- Analytics: Provides PDI as a sensitive, early indicator of shape change, enabling go/no-go decisions before imaging confirmation.
- Translational Research: Supports continuity from discovery to preclinical by linking salt-mediated elongation to improved vascular margination and drug delivery potential.
- Enterprise Reuse: Establishes a modular, salt-driven platform applicable across polyester-based block copolymers for sustained shape-control capability.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in nanoparticle behavior by de-risking shape-dependent biological interactions.
- Operational Value: Uses simple, scalable dialysis-based protocol with minimal instrumentation (stir plate, syringe pump, DLS).
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making by linking polymer hydrophobicity to shape outcomes under controlled osmotic stress.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of polymer candidates based on shape tunability and delivery potential.
Implementation Considerations
- Requires expertise in polymer synthesis, solvent handling, and dialysis techniques.
- Needs access to syringe pumps, dialysis membranes, DLS, and imaging tools (TEM/SEM) for validation.
- Demands standardization of salt concentration, dialysis time, and polymer concentration across batches.
- Must account for variability in polyester hydrophobicity when selecting salt gradients (50–200 mM NaCl).
- Limited by challenges in achieving consistent polymersome formation, necessitating protocol optimization and user training.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:45
Spherical Polymersome Formation Using a Solvent Injection Method
2:24
Dialysis to Remove Organic Solvent
3:05
Dialysis Against Salt Gradients and Shape Modulated Polymersome Characterization
3:50
Results: Modulating Shape of Polyester Based Polymersomes using Osmotic Pressure
5:36
Conclusion
