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Article de méthode

Préparation et caractérisation de nouvelles nanoparticules imitant HDL pour l'encapsulation du facteur de croissance nerveuse

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DOI :

10.3791/55584

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22 mai 2017

 , 
1Department of Pharmaceutical Sciences, College of Pharmacy, University of North Texas Health Science Center

Dans cet article

Résumé

Une homogénéisation simple a été utilisée pour préparer des nanoparticules novatrices, à forte densité et à la lipoprotéine, à encapsuler le facteur de croissance nerveuse. Les défis, les protocoles détaillés pour la préparation des nanoparticules, la caractérisation in vitro et les études in vivo sont décrits dans cet article.

Résumé

L'objectif de cet article est d'introduire des méthodes de préparation et de caractérisation pour les nanoparticules de réduction des nanoparticules (NP) protégées par les facteurs de croissance nerveuse (NGF), à forte densité et à lipoprotéines (HDL). Les HDL sont des NP endogènes et ont été explorés comme des véhicules pour la délivrance d'agents thérapeutiques. Différentes méthodes ont été développées pour préparer les IPs mimés par HDL. Cependant, ils sont généralement compliqués, longs et difficiles à augmenter industriellement. Dans cette étude, l'homogénéisation en une étape a été utilisée pour mélanger les excipients et former les NP prototypes. Le NGF est une protéine hydrosoluble de 26 kDa. Pour faciliter l'encapsulation du NGF dans l'environnement lipidique des NPs mimant HDL, la protamine USP a été utilisée pour former un complexe de paire d'ions avec du NGF pour neutraliser les charges sur la surface de NGF. Le complexe NGF / protamine a ensuite été introduit dans les NP prototypes. L'apolipoprotéine AI a finalement été enduit à la surface des NP. NGF HDI-imitant NPs a montré des propriétés préférables en termeS de la taille des particules, de la distribution des tailles, de l'efficacité du piégeage, de la libération in vitro , de la bioactivité et de la biodistribution. Grâce à la conception minutieuse et à l'exploration de l'homogénéisation dans les NPs mimantant le HDL, la procédure a été grandement simplifiée et les NP ont été rendues évolutives. De plus, de nombreux défis, tels que la séparation du NGF déchargé des NP, la réalisation d'études fiables de libération in vitro et la mesure de la bioactivité des IP, ont été surmontés.

Introduction

Les macromolécules, telles que les protéines, les peptides et les acides nucléiques, sont devenues des médicaments prometteurs et ont attiré une attention considérable au cours des dernières décennies 1 , 2 . En raison de leur efficacité élevée et de leurs modes d'action spécifiques, ils présentent un excellent potentiel thérapeutique pour les traitements du cancer, des maladies immunitaires, du VIH et des affections apparentées 3 , 4 . Cependant, les propriétés physicochimiques, telles que leur grande taille moléculaire, leur structure tridimensionnelle, leurs charges de surface et leur nature hydrophile, rendent la livraison in vivo de ces macromolécules très difficile. Cela entrave considérablement leur utilisation clinique 4 . Les progrès récents dans les systèmes de délivrance de médicaments, tels que les microparticules, les nanoparticules de polymères (NP), les liposomes et les NP lipidiques, ont surmonté ces défis et amélioré significativement la livraison in vivo de macromolécules. HoCertains inconvénients concernant ces cargaisons d'expédition ont été révélés, y compris une faible capacité de chargement du médicament, une faible efficacité de piégeage, une demi-vie courte, une perte de bioactivité et des effets secondaires indésirables 5 , 6 , 7 , 8 . Les systèmes de transporteurs efficaces restent un domaine d'intérêt de recherche. En outre, le développement de méthodes analytiques pour caractériser les NP NP chargés de médicaments est plus difficile pour les macromolécules que pour les petites molécules.

La lipoprotéine de haute densité (HDL) est un NP naturel composé d'un noyau de lipide qui est recouvert d'apolipoprotéines et d'une monocouche de phospholipides. Le HDL endogène joue un rôle essentiel dans le transport des lipides, des protéines et des acides nucléiques grâce à son interaction avec les récepteurs cibles tels que SR-BI, ABCAI et ABCG1. Il a été exploré comme véhicule pour la livraison de différents agents thérapeutiques 9, 10 , 11 , 12 . Différentes méthodes ont été développées pour préparer les IPs mimés par HDL. La dialyse est une approche populaire. Dans cette méthode, les NP sont formés en hydratant un film lipidique à l'aide d'une solution de cholate de sodium. Le sel est ensuite éliminé par une dialyse de 2 jours avec trois tampons 13 . Les méthodes de sonication fabriquent des NP en faisant soigner un mélange de lipides pendant 60 min sous un état de chauffage; Les NP sont encore purifiés par Chromatographie sur gel 14 . La microfluidique génère des NP via un dispositif microfluidique, qui mélange les solutions de phospholipides et d'apolipoprotéine AI (Apo AI) en créant des micro-parrains dans un schéma de focalisation 15 . De toute évidence, ces méthodes peuvent prendre beaucoup de temps, difficiles et difficiles à augmenter industriellement.

Dans cet article, nous présentons la préparation et la caractérisation de nouvelles NPs mimantant HDL pour le nerfEncapsulation du facteur de croissance (NGF). Le NGF est un homodimère de polypeptide lié au disulfure contenant deux monomères polypeptidiques de 13,6 kDa. Une nouvelle procédure pour préparer les NP par homogénéisation, suivie de l'encapsulation du NGF dans les NP, a été développée. Les NNP de NGF ont été caractérisées pour la taille des particules, la distribution des tailles, le potentiel zêta et la libération in vitro . Leur bioactivité a été évaluée pour la croissance des neurites dans les cellules PC12. La biodistribution des NP NGF imitant les NP a été comparée à celle du NGF libre après injection intraveineuse chez la souris.

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Protocole

NOTE: Les études sur les animaux inclus dans toutes les procédures ont été approuvées par le Comité institutionnel pour les soins et l'utilisation des animaux au Centre des sciences de la santé de l'Université du Nord.

1. Préparation des Nanoparticules de NGF HDL-imitant

  1. Dissoudre les excipients, la phosphatidylcholine (PC), la sphingomyéline (SM), la phosphatidylsérine (PS), l'oléate de colesteryle (CO) et le succinate de D-α-tocopheryl polyéthylène glycol (TPGS), dans l'éthanol pour préparer des solutions stock à 1 mg / mL.
    NOTE: Les solutions stock ont ​​été réparties en aliquotes et stockées à -20 ° C. L'oléate de cholesteryle a été stocké dans des bouteilles sombres. Les solutions de stockage PC, SM, PS et CO étaient stables jusqu'à 6, 3, 12 et 12 mois, respectivement, à -20 ° C. La solution TPGS était stable pendant au moins 12 mois à -20 ° C.
  2. Mélanger 10 μL de NGF (1 mg / ml dans l'eau) avec 10 μL de protamine USP (1 mg / mL dans l'eau) dans un tube de microcentrifugeuse de 1,5 mL et laisser reposer pendant 10 minutes à température ambiante jusqu'àFormer le complexe.
    NOTE: Les solutions de stock de NGF et de protamine ont été réparties en aliquotes et stockées à -20 ° C. La congélation et la décongélation répétées ne sont pas recommandées pour le stock de NGF.
  3. Ajouter 59 μL de PC, 11 μL de SM, 4 μL de PS, 15 μL de CO et 45 μL de TPGS dans un flacon en verre. Mélanger et évaporer l'éthanol sous un courant d'azote doux pendant environ 5 min; Tous les excipients doivent former un film huileux et mince au fond du flacon en verre.
  4. Ajouter 1 ml d'eau ultrapure (type 1) dans le flacon et homogénéiser à 9 500 tr / min (8 600 xg) pendant 5 min à température ambiante pour former les NP prototypes.
  5. Ajouter le complexe préparé à l'étape 1.2 aux NP prototypes et incuber à 37 ° C pendant 30 minutes sous agitation en utilisant une petite barre d'agitation dans le flacon en verre.
    1. Refroidir les NP bas en agitant à température ambiante pendant 30 minutes supplémentaires. Après cela, refroidir, ajouter 106 μL d'Apo AI (1,49 mg / mL) et agiter à température ambiante pendant la nuit pour former la finaleNGF HDI-imitant NPs.

2. Caractérisation des Nanoparticules de NGF HDL-imitant

  1. Mesurez la taille des particules et le potentiel zêta à l'aide d'un analyseur de particules (voir la table Matériaux) selon les instructions du fabricant.
  2. Utilisez une colonne de Chromatographie de filtration sur gel d'agarose réticulée pour séparer le NGF déchargé des NN de NGF HDI-imitant et déterminer l'efficacité de piégeage du NGF.
    1. Pour la préparation de la colonne, transférer 15 mL de suspension de Sepharose 4B-CL dans un bécher de 50 mL. Remuer la suspension de perles à l'aide d'une tige de verre et verser une partie dans une colonne (30 cm de longueur × 1 cm de diamètre, avec une fritte de verre en bas). Appuyez doucement sur la colonne pour éliminer les bulles. Laisser le solvant s'écouler et les perles se déposer pendant quelques minutes.
    2. Continuez à ajouter la suspension restante. Rincer le mur intérieur de la colonne pour nettoyer les perles. Vidangez le solvant jusqu'à ce que le solvant soit légèrementAu sommet de la phase stationnaire. Laver et conditionner la colonne avec 20 ml d'une solution salée tamponnée au phosphate (PBS, contenant NaCl 137 mM, KCl 2,7 mM, Na2HOPO 4 8 mM et KH 2 PO 4 2 mM).
    3. Pour déterminer les fractions contenant du NGF déchargé, charger 200 μL de solution de NGF (10 μg / mL) sur la colonne de filtration sur gel (25 cm de longueur x 1 cm de diamètre) et éluer avec 1x PBS.
    4. Recueillir un total de 12 fractions (1 mL pour chaque fraction) et mesurer la concentration de NGF dans chaque fraction en utilisant un kit ELISA Sandwich pour NGF.
    5. Détecter le NGF des fractions 6 à 10 en utilisant le kit Sandwich ELISA. Obtenir un chromatogramme de NGF déchargé sur la colonne. Laver la colonne avec 20 ml de PBS.
    6. Pour déterminer les fractions contenant des NGP NGF imitant les cellules, chargez 200 μL des NP sur la colonne et élue avec 1x PBS. Recueillir un total de 12 fractions (1 mL pour chaque fraction) et mesurer l'intensité des particules dans chaque fractionChanter l'analyseur de granulométrie. Détecter les NGF NP des fractions 2 à 4.
      NOTE: L'intensité est un paramètre mesuré par l'analyseur de particules, qui indique combien de nanoparticules peuvent exister dans la solution d'essai. Plus les NP existent en solution, plus l'intensité est élevée. Par cette approche, nous pouvons confirmer que la colonne peut séparer les NP NGF du NGF déchargé.
    7. Pour mesurer l'efficacité de piégeage de NGF, charger 200 μL de NP NGF en imitant les HDL sur la colonne et éluer avec 1x PBS. Recueillir un total de 12 fractions (1 ml pour chaque fraction).
    8. Mesurer la concentration de NGF déchargée des fractions 6 à 10 en utilisant le kit Sandwich ELISA.
    9. Ajouter les quantités de NGF mesurées à partir des fractions 6 à 10 ensemble en tant que NGF déchargé et calculer l'efficacité de piégeage du NGF en utilisant l'équation suivante.
      % EE = (1 - NGF déchargé / NGF total ajouté en NP) x 100% Équation (1)

3. Version in vitro de HDL NGF-mimying Nanoparticles

  1. Etudier en NGF libre (10 μg / mL dans l'eau, n = 4) et NGF HDI-imitant les NP (10 μg / mL; n = 4) en parallèle.
  2. Prétraiter 8 tubes de dialyse (seuil de masse moléculaire: 300 kDa) en suivant les instructions du fabricant.
  3. Préparer 5% d'albumine de sérum bovin (BSA) dans du PBS comme milieu de libération. Ajouter 30 ml de milieu de libération dans un tube de centrifugation de 50 ml et le réchauffer à 37 ° C dans un agitateur avec une vitesse de trempe de 135 tr / min. Placez un autre 50 mL de milieu de libération dans le shaker pour le remplacer.
  4. Ajouter 400 μL de milieu de libération dans le tube de dialyse et ajouter rapidement 200 μL de l'échantillon testé pour obtenir suffisamment de volume pour la dialyse.
  5. Fermez le tube et placez rapidement le tube de dialyse dans le liquide de séparation (le tube de centrifugation). Retirez rapidement 100 μL du milieu de libération du tube de dialyse externe comme échantillon pour le temps 0. Mettez immédiatement l'échantillon dans -20 ° C pour une analyse ultérieure. Ajouter 100 μL de frais reRenvoyer le support dans le tube centrifuge pour remplacer l'échantillon retiré. Démarrez la minuterie.
  6. À 1, 2, 4, 6, 8, 24, 48 et 72 h, retirer 100 μL du milieu de libération et le remplacer par 100 μL de milieu frais. Mettez immédiatement les échantillons prélevés dans -20 ° C pour une analyse ultérieure.
  7. Après 72 h, retirer tous les échantillons de -20 ° C et les décongeler à température ambiante. Mesurer les concentrations de NGF des échantillons de rejet en utilisant le kit Sandwich ELISA.

4. Bioactivité des Nanoparticules de NGF HDL-imitant (étude de croissance des névres)

  1. Cellules Culture PC12 dans du milieu RPMI-1640 additionné de 10% de sérum de cheval inactivé par la chaleur, 5% de sérum bovin fœtal, 100 μg / ml de streptomycine et 100 unités / mL de pénicilline. Maintenir les cellules dans un incubateur humidifié à 37 ° C et avec 5% de CO 2 .
  2. Lorsque les cellules atteignent ~ 70-80% de confluence, enlever le milieu de culture et laver les cellules avec 1x PBS (environ 2 mL par 10 cm 2 surface de culture). Retirer la solution de lavage. Essayer les cellules en ajoutant 0,25% de solution de trypsine-EDTA (0,25% de trypsine et 1 mM d'EDTA, 0,5 mL par surface de culture de 10 cm 2 ) dans le flacon et incuber à 37 ° C jusqu'à ce que la plupart des cellules soient détachées.
  3. Ajouter deux volumes de milieu de culture et centrifuger à 180 xg pendant 5 min. Enlever le surnageant et remettre en suspension le culot cellulaire dans 5 ml de milieu de culture. Filtrer les cellules par une aiguille de 22 G, ½ pouce pour briser les grappes de cellules.
  4. Diviser les cellules à un rapport de 1: 3 dans un nouveau flacon de culture cellulaire. Après l'incubation pendant la nuit, retirez les cellules PC12 non attachées. Permettre aux cellules attachées de rester pour une croissance supplémentaire.
  5. Répétez cette procédure pour 3 passages pour sélectionner la sous-culture de PC12 qui possède une forte propriété d'adhérence. Préchauffer une plaque de 6 puits avec 800 μl / puits de collagène de queue de rat de type I (100 μg / mL).
  6. Essaye les cellules PC12 sélectionnées comme décrit à l'étape 4.2 et filtrez-les à travers un22 G, aiguille 1/2 pouce pour casser les grappes de cellules. Comptez les cellules avec un hémocytomètre. Graine les cellules d'une nuit à une densité de 10 000 cellules / puits dans la plaque de 6 puits pré-revêtue à l'étape 4.5 pour permettre aux cellules de s'attacher à la plaque.
  7. Diluer les NGF (10 μg / mL) libres et les NGF de NGF (10 μg / mL) avec le milieu de culture (décrit à l'étape 4.1) pour préparer des concentrations de 0,5, 1, 5, 10, 50 et 100 ng / mL. Enlevez 2 ml de milieu de chaque puits et remplacez-les par 2 ml de NPCs dilués ou NGF HDL-imitant NPs. Culture pendant 4 jours.
  8. Le jour 4, changez le moyen à moyen frais (décrit à l'étape 4.1) contenant le traitement correspondant et continuez le traitement pendant 3 jours supplémentaires.
  9. Le jour 7, visualisez les cellules avec un microscope optique inversé et imagez-vous chaque puits à des points aléatoires sous un grossissement 10X.

5. Biodistribution des Nanoparticules de NGF HDL-imitant

  1. Utiliser des souris adultes BALB / c (hommes, 25-30 g) à tEst la distribution tissulaire des NGF NP. Diviser de manière aléatoire les souris en trois groupes de 3 souris par groupe. Utilisez un dispositif de retenue en plastique en forme de cône ( par exemple, décapicone) pour retenir une souris et essuyer la queue avec de l'éthanol pour favoriser la vasodilatation et la visibilité de la veine.
  2. Injecter 100 μl de NIM, de NGF ou de NGF HD-Ig de NGF à chaque groupe de souris (3 groupes) à travers les veines de la queue à une dose de 40 μg / kg de NGF. Utilisez une aiguille 30½ G attachée à une seringue de 1 mL.
  3. À 30 min après l'injection, anesthésier les souris en utilisant 3% d'isoflurane inhalé (en oxygène à un débit de 2 L / min). Effectuez une pincée de queue et de pied pour déterminer la profondeur de l'anesthésie. Recueillir le sang par ponction cardiaque.
    1. Retirer environ 1 mL de sang du coeur. Éuthaniser chaque souris par dislocation cervicale.
  4. Placez la carcasse de la souris en décroissance dorsale. Ouvrez l'abdomen en utilisant des ciseaux chirurgicaux et déplacez les graisses et les intestins de côtéEn utilisant un coton-tige pour exposer le foie, la rate et le rein. Récoltez ces tissus et rincez-les dans 1x PBS pour nettoyer le sang.
  5. Centrifuger immédiatement les échantillons de sang à 3 400 xg et 4 ° C pendant 5 minutes pour obtenir le plasma. Conservez le plasma et les tissus à -80 ° C jusqu'à l'analyse.
  6. Pour analyser les échantillons de tissus, déplacez les échantillons de -80 ° C à 4 ° C et suspendez 100 mg d'échantillon de tissu dans un volume de 10x de tampon d'extraction (0,05 M d'acétate de sodium, 1,0 M de chlorure de sodium, 1% de triton X-100, 1% de BSA, fluorure de phénylméthanesulfonyle 0,2 mM et chlorure de benzéthonium 0,2 mM). Homogénéiser à 10 000 tr / min et 4 ° C pendant 5 min.
  7. Sacrifiez deux souris non traitées pour collecter du plasma vierge et des tissus, comme décrit aux étapes 5.3 et 5.4. Préparer des solutions standard NGF en utilisant des échantillons blancs de plasma ou de tissu blanc.
  8. Déterminer les concentrations de NGF dans les homogénats plasmatiques et tissulaires en utilisant le kit Sandwich ELISA, comme décrit ci-dessus.

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Résultats

Le schéma d'ingénierie des particules de NGF revêtues d'alpha-tocophérol par HDL, préparé par une stratégie de paire d'ions, est illustré à la figure 1 . Pour neutraliser les charges de surface du NGF, la protamine USP a été utilisée comme agent d'une paire d'ions pour former un complexe avec du NGF. Pour protéger la bioactivité, les prototypes d'IP recombinants HDL ont été conçus, en utilisant d'abord l'homogénéisation; Ensuite, le comple...

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Discussion

Dans cette étude, nous démontrons une méthode simple pour préparer les NP NP mimantant le HDL pour l'encapsulation de NGF. Divers systèmes de distribution de NP ont été étudiés pour délivrer des protéines. À l'heure actuelle, de nombreuses préparations NP nécessitent une dialyse, des précipitations au solvant et une hydratation du film. Ces processus sont généralement compliqués et difficiles à relever lors de l'extension. Au cours de ce développement de NP, il a été déterminé que les lipides avaient une for...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par NIH R03 NS087322-01 à Dong, X.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Bêta-NGF humain recombinantCreative BiomartNGF-05H
L-&alpha ;-Phosphatidylcholine (PC)Avanti131601P95 %, Oeuf,
Sphingomyéline de poulet (SM)Avanti860062PCerveau,
Phosphatidylsérine porcine (PS)Avanti840032PCerveau, Oléate
cholestéryle porcin (CO)SigmaC9253
D-&alpha ;-Tocopheryl polyethylene glycol succinate (TPGS)BASF9002-96-4Vitamine E Polyéthylène glycol Succinate de
protamineSigmaP3369répond aux spécifications de test USP
Apolipoprotéine A1, Plasma humainAthènes Recherche & Technologie16-16-1201011 mg dans 671 & micro ; L 10 mM NH4HCO3, pH 7,4
Sepharose 4B-CLSigmaCL4B200Agarose réticulée, matériau de remplissage de colonne de chromatographie par filtration sur gel
Kit ELISA sandwich pour NGFR& Système DDY008
Sérum bovin AlbumineSigmaA2153
RPMI-1640 moyenGE Healthcare Life ScienceSH30096.02
Sérum de chevalGE Healthcare Life ScienceSH30074.03
Sérum fœtal bovinGibco10082147
PC12 cellulesATCCCRL-1721
Queue de rat collagène de type ISigmaC3867
Acétate de sodiumSigmaS2889
Chlorure de sodiumSigma31414
Triton X-100SigmaT8787
Fluorure de phénylméthanesulfonyle (PMSF)SigmaP7626
Chlorure de benzéthoniumSigmaB8879<
fort> NomEntrepriseNuméro de catalogueComments
Equipment
HomogénéisateurTekmarT 25-S1
Delsa Nano HC Analyseur de particulesBeckman-CoulterDelsa Nano HC
Float-A-Lyzer G2 Dispositif de dialyseSpectrum LaboratoriesG235036Molecule Cutoff 300 kDa
CentrifugeuseEppendoff5424R
Polytron homogénéisateurKinematicaPT 1200C
DecapiCone  ; Braintree Scientific Inc.DC-M200
de

Références

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  15. Kim, Y., Fay, F., Cormode, D. P., Sanchez-Gaytan, B. L., Tang, J., Hennessy, E. J., Ma, M., Moore, K., Farokhzad, O. C., Fisher, E. A., Mulder, W. J., Langer, R., Fayad, Z. A. Single step reconstitution of multifunctional high-density lipoprotein-derived nanomaterials using microfluidics. ACS Nano. 7 (11), 9975-9983 (2013).
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Réimpressions et autorisations

Mots-clés

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