Articolo metodologico

Formulazioni per la liofilizzazione di batteri e la loro influenza sulla sopravvivenza cellulare

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DOI:

10.3791/4058

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3 agosto 2013

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1Department of Microbiology, Uppsala Biocenter, Swedish University of Agricultural Sciences, 2Department of Engineering Sciences, Uppsala University

In questo articolo

Sommario

Liofilizzazione è spesso un modo semplice e conveniente per ottenere prodotti a secco di cellule batteriche vitali. Un problema del processo è la sopravvivenza delle cellule. Abbiamo dettaglio qui una procedura per indagare come sopravvivenza cellulare durante la liofilizzazione è influenzata dalle proprietà della formulazione utilizzata.

Abstract

Acqua cellulare può essere rimosso per inattivare microrganismi reversibilmente esigenze di stoccaggio. Uno di questi metodi di rimozione è liofilizzazione, che è considerato un metodo di disidratazione delicato. Per facilitare la sopravvivenza cellulare durante l'asciugatura, le cellule sono spesso formulate in anticipo. La formulazione forma una matrice che incorpora le cellule e le protegge da varie sollecitazioni dannose imposte alle cellule durante il congelamento e l'essiccazione. Presentiamo qui un metodo generale per valutare il tasso di sopravvivenza delle cellule dopo liofilizzazione e illustriamo lo confrontando i risultati ottenuti con quattro diverse formulazioni: disaccaride saccarosio, il saccarosio derivato polimero Ficoll PM400, e le rispettive polisaccaridi idrossietilcellulosa (HEC ) e idrossipropilmetilcellulosa (HPMC), su due ceppi di batteri, P. putida KT2440 e A. A6 chlorophenolicus. In questo lavoro si illustra come preparare formulazioni per la liofilizzazione e il modo di indagare la meccanicaismi della sopravvivenza cellulare dopo la reidratazione caratterizzando la formulazione di usando calorimetria a scansione differenziale (DSC), misure di tensione superficiale, analisi a raggi X e microscopia elettronica e tali dati relativi ai tassi di sopravvivenza. I polimeri sono stati scelti per ottenere una struttura monomerica del rispettivo saccarosio polisaccaride simile ad una misura diversa. Usando questa configurazione metodo abbiamo dimostrato che polimeri possono supportare la sopravvivenza cellulare nel modo più efficace disaccaridi se certe proprietà fisiche della formulazione sono controllate 1.

Protocollo

1. Coltivazione e raccolta di P. putida

  1. Preparare una coltura di Pseudomonas putida inoculando 100 ml di brodo di soia trittico (TSB) con una colonia di P. cellule putida coltivati ​​su agar addizionato con trittico brodo di soia (TSA). Mantenere la coltura a 30 ° C su una tavola oscillante impostata a 130 rpm.
  2. Dopo 7 ore trasferire un'aliquota dal coltura starter equivalente a 1/10 del volume finale della coltura principale per fresco TSB-medium. Mantenere le cellule a 30 ° C su un bordo di agitazione a 130 rpm per 16 ore.
  3. Dopo 16 ore di crescita le cellule vengono raccolte a girare la coltura cellulare a 1500 xg per 20 minuti a temperatura ambiente. Decantare il surnatante e lavare le cellule da ri-sospende il pellet cellulare è in una soluzione di NaCl che è isotonica al mezzo di crescita. In questo caso è stata utilizzata una soluzione 150 mM di NaCl. Le cellule vengono quindi centrifugate nuovamente e il supernatante viene decantato prima di risospendere le cellule nel mezzo formulazione,vedere il punto 3.2.

2. La coltivazione di altre specie

  1. Per adattare il protocollo ad altre specie batteriche le procedure di coltivazione e di raccolta dovrebbero essere modificati in base alle esigenze di quella specie. Per evitare shock osmotico durante la manipolazione delle cellule durante la vendemmia e la fase di lavaggio (s), l'osmolalità delle soluzioni deve corrispondere a quella del mezzo di crescita al momento della raccolta.

3. Formulazione di cellule

  1. Preparare le soluzioni di formulazione pesando i rispettivi componenti della matrice e si sciolgono in acqua. Di ottenere condizioni isotoniche, sia regolare la quantità di eccipiente o aggiungere NaCl o qualche altro soluto compatibile cella per raggiungere la osmolalità desiderato. Per le sostanze a basso peso molecolare, come disaccaridi gli importi possono essere facilmente regolati per raggiungere le condizioni isotoniche. Per sostanze come polimeri che sono di alto peso molecolare, la tonicità deve essere regolata con la cellula in modo compatibileliuti, ad esempio NaCl o disaccaridi. Si noti che l'eventuale aggiunta di una sostanza influenza le proprietà fisiche della formulazione, che a loro volta possono influenzare il comportamento liofilizzazione e la sopravvivenza cellulare.
  2. Decantare la soluzione di lavaggio (in questo caso NaCl) e risospendere le cellule in rispettivi mezzi di formulazione.
  3. Assicurarsi che le cellule sono omogeneamente dispersi. Formulazioni di bassa viscosità sono in agitazione mentre formulazioni di viscosità più elevate sono mescolati con l'aggiunta, per esempio., Un ancoretta e scuotendo il contenitore fino a miscelazione omogenea si ottiene.
  4. Dividete le formulazioni in fiale liofilizzatore. I flaconcini devono essere pesate vuote, con il campione prima e dopo liofilizzazione per calcolare la quantità di acqua rimossa durante la liofilizzazione.
  5. Aggiungi ai tappi di gomma dei flaconcini se le fiale devono essere sigillate all'interno del liofilizzatore, vedere il punto 4.3.
  6. Enumerare le cellule in ogni formulazione prima della liofilizzazione, vedi punto 6.

    7. 4. Liofilizzazione

    1. Le condizioni di liofilizzazione devono essere adattati alle proprietà fisiche della formulazione. Il parametro più importante è in questo caso la temperatura di transizione vetrosa, Tg, della formulazione, denotato Tg 'per il campione freeze-concentrato per indicare che l'acqua è ancora presente. Il Tg 'della formulazione freeze-concentrato è facilmente misurata con la calorimetria differenziale a scansione (DSC), vedere punto 7.
    2. Regolare i parametri del processo di liofilizzazione modo che la temperatura del campione è sempre inferiore alla Tg del campione e che la pressione in camera consente un rapido sublimazione del ghiaccio, cioè essiccazione primarie, e l'acqua residua nella formulazione, cioè secondaria essiccazione. Se la temperatura del campione è superiore Tg 'durante il processo di essiccazione è un grande rischio di collasso strutturale del campione che può diminuire significativamente la sopravvivenza cellulare.
    3. Per proteggere i prodotti secchi dopo freeze-essiccazione l'atmosfera campione deve essere controllato. Se possibile, sigillare i campioni nel liofilizzatore prima che il vuoto viene rilasciato alla fine del ciclo di liofilizzazione. In alternativa, i flaconi possono essere riempiti con un'atmosfera preferito. È importante evitare di esporre i campioni alle condizioni ambientali di umidità o ossigeno presente nell'atmosfera stoccaggio influenzerà la sopravvivenza delle cellule.
    4. Pesare le fiale.

    5. Reidratazione

    1. Reidratare i campioni con acqua deionizzata e sterile. La quantità di acqua da aggiungere che dovrebbe essere uguale alla quantità rimossa durante la liofilizzazione e viene calcolato dal peso del flacone vuoto, lo stesso flaconcino con campione prima e dopo la liofilizzazione. Vortex i campioni di oggi e di nuovo poi fino a quando le soluzioni appaiono omogenee.

    6. Enumerazione

    1. Disegna 100 microlitri di ciascun campione e fare diluizioni seriali di 10 volte. Dalle diluizioni di interiposo 100 microlitri è placcato su TSA-piastre. Le piastre vengono incubate a temperatura e tempo richiesto.

    7. Caratterizzazione di Formulazione di comportamento di blocco

    1. Prendete una piccola quantità, 5 - 10 mg, del campione e racchiuderlo in una padella DSC-alluminio con coperchio. Preparare una pentola vuota come riferimento.
    2. Impostare il programma di scansione di temperatura DSC. Il programma di raffreddamento è impostato per imitare il passo congelamento nel programma liofilizzazione. Questo viene fatto come la cinetica di raffreddamento possono influenzare la Tg 'delle formulazioni idrati. Prima della scansione riscaldamento inizia abbattere la temperatura al di sotto della Tg atteso 'delle formulazioni indagate, normalmente -100 ° C.
    3. Scegliere un tasso adeguato riscaldamento, normalmente una velocità di riscaldamento di 5 - 40 ° C è utilizzato / min. Il segnale di flusso di calore registrata è espresso in watt e verrà influenzata dalla velocità di riscaldamento. Un tasso di riscaldamento più alto darà un segnale maggiore di Tg '.
    4. Impostare l'intervallo di temperatura in modo che it copre sia Tg 'e lo scioglimento della formulazione.

    8. Tensione superficiale Misure delle formulazioni idrate

    1. Il setup sperimentale utilizzato in questo esperimento è secondo il metodo per misurare du Noüy superficie.
    2. Pulire l'anello di platino e il vaso di misura con attenzione. Il vaso viene risciacquata con acetone, si asciugò con un panno privo di pelucchi, e poi bruciato all'interno con una fiamma incolore. L'anello si illumina di rosso in una fiamma incolore.
    3. Riempire il serbatoio con la soluzione e lasciare che la superficie di risolvere prima di misurare. Per le soluzioni in cui si raggiunge lo stato di equilibrio solo dopo un lungo periodo di tempo, ad esempio, i polimeri, la semplice impostazione adottata permette di fornire dati qualitativi.
    4. Per le formulazioni con alte viscosità, ad esempio miscele di 2% (w / w) o HEC HPMC, la tensione superficiale deve essere misurata su soluzioni a concentrazioni inferiori e poi estrapolato. Questo può essere fatto sfruttando il fatto chela caduta dei livelli di tensione superficiale off in concentrazioni inferiori a 0,5% (w / w).

    9. X-ray analisi delle formulazioni a secco

    1. Prendere una piccola quantità di matrice / batteri e caricarla su un supporto del campione.
    2. Montare il supporto del campione nella radiografia-diffrattometro.
    3. Per analizzare qualsiasi fase cristallina presente nel campione pacchetto del programma EVA da Bruker può essere utilizzato.

    10. Microscopia Elettronica

    1. Prendere una piccola quantità di matrice / batteri fuori delle fiale e fissarlo su uno stub SEM.
    2. Caricare il supporto di SEM in sputtering-verniciatore (Thermo Polaron VGScientific SC7640 utilizzato nel presente lavoro) e coprire il campione con pochi nm di Au / Pd o Pt. In questi esperimenti i parametri di sputtering sono stati: 1.900 V, 20 mA, e 20 sec, per un ~ 5-10 nm rivestimento Au / Pd. Il rivestimento si riduce la carica elettrica durante l'acquisizione dell'immagine. Si consiglia di iniziare con un rivestimento sottile e, se la carica persiste e provoca immagineartefatti, il campione devono essere rivestite di nuovo.
    3. Caricare il supporto SEM nella camera SEM. Selezionare i parametri di imaging appropriate. Per lo strumento utilizzato nella Figura 2 (FEI Strata DB235) abbiamo usato 5 kV tensione di accelerazione, spotsize 3, una distanza di lavoro di 5 mm e il rivelatore di elettroni secondari.
    4. Facoltativamente, è possibile utilizzare il Focused Ion Beam per tagliare le sezioni trasversali dei batteri incorporati nel polimero per rivelare ulteriori dettagli.

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Risultati

Tabella 1 mostra i dati sulla composizione formulazione, eventi termici registrati dalla DSC durante il riscaldamento delle formulazioni congelati, la struttura dei campioni secco e la tensione superficiale delle soluzioni di formulazione. La T g 'di saccarosio sia stata determinata a -40 ° C 2, 3 e può essere difficile da rilevare per le concentrazioni di saccarosio inferiore al 20% w / w. L'evento termico a -35 ° C è probabilmente correlato alla comparsa di ghiac...

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Discussione

Il motivo di questo studio era di studiare alcune proprietà di formulazione che possono essere di importanza per la sopravvivenza delle cellule durante la liofilizzazione. Sebbene la tolleranza asciugatura intrinseco varia tra specie diverse, come illustrato nella Figura 1A, la tendenza da quanto la formulazioni differente supporto sopravvivenza cellulare è simile. È istruttivo per iniziare con un confronto di saccarosio e di Ficoll. Si ritiene che un fattore chiave per una formulazione per supportare l...

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Dichiarazioni

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Ringraziamenti

Il lavoro è stato sostenuto dalla Fondazione Svedese per la Ricerca Ambientale Strategica (MISTRA) attraverso il programma di DOM e Grant 211684 (BACSIN) dal programma quadro della Comunità europea del 7 ° PQ. Ringraziamo J. Engstrand per l'assistenza a filmare l'analisi a raggi X e L. Tang per aiutare con la narrazione concettuale.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Ficoll PM 400GE-healthcare17-0300-10
HEC (Natrosol-M Pharm Grade)AshlandDono da Ashland
HPMC (Methocel F4M)DowDono dal Dipartimento di Farmacia, Università di Uppsala
SaccarosioSigma-AldrichS2395
NaClSigma-Aldrich71376
Brodo Tryptic SoyMerck105459
Agar Tryptic SoyMerck105458
Lyostar IIFTS KineticsN.A.
Pyris Diamond DSCPerkin-ElmerN.A.
Diffrattometro Bruker AXS SMART CCD 1kBrukerN.A
FIB/SEM a doppio fascio FEI Strata DB235FEIN.A
Tensiometro didattico KrüssKrüssN.A.

Riferimenti

  1. Wessman, P., Mahlin, D., et al. Impact of matrix properties on the survival of freeze-dried bacteria. J. Sci. Food Agric. 91 (14), 2518-2528 (2011).
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