このプロトコルは、薬物担体設計のためのマイクロ流体デバイスを使用して、異なる金属イオンと架橋されたアルギン酸ナトリウムマイクロスフェアの調製について説明しています。これらのマイクロスフェアの抗菌特性とゆっくりとした薬物放出についても調査しました。
方法論記事
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このプロトコルは、薬物担体設計のためのマイクロ流体デバイスを使用して、異なる金属イオンと架橋されたアルギン酸ナトリウムマイクロスフェアの調製について説明しています。これらのマイクロスフェアの抗菌特性とゆっくりとした薬物放出についても調査しました。
マイクロスフェアはマイクロメートルサイズの粒子で、表面やポリマー内で物理的なカプセル化や吸着によって薬物をロードし、徐々に放出することができます。生物医学の分野では、ハイドロゲルマイクロスフェアは、薬物投与の頻度を減らし、副作用を最小限に抑え、患者のコンプライアンスを向上させる能力があるため、薬物担体としての応用について広く研究されてきました。アルギン酸ナトリウム(ALG)は、3つの骨格グリコシド結合を持つ天然に存在する線状多糖類です。ポリマーの各部分には2つの補助ヒドロキシル基が存在し、これらはアルコールヒドロキシル部分の特性を持っています。合成ALGユニットは、金属イオンとの化学架橋反応を起こし、ポリマースタックの架橋ネットワーク構造を形成し、最終的にハイドロゲルを形成することができます。ハイドロゲルミクロスフェアは、ALGのイオン性架橋特性を含む簡単なプロセスを使用して調製できます。本研究では、マイクロ流体電着法を用いてALGベースのハイドロゲルマイクロスフェア(ALGMS)を作製しました。調製したヒドロゲルマイクロスフェアは、マイクロ流体エレクトロスプレーの流れを正確に制御するため、サイズが均一で十分に分散していました。異なる金属イオンと架橋したALGMSを、マイクロ流体と高電場を組み合わせたマイクロ流体エレクトロスプレー技術を用いて調製し、その抗菌特性、薬物放出遅延能、生体適合性について検討した。この技術は、高度な医薬品の開発・生産への応用が期待されています。
ドラッグデリバリーシステムは、バイオティッシュエンジニアリングの分野における研究のホットスポットであり、ドラッグデリバリーの効率と有効性を向上させ、副作用と副作用を減らすことを目指しています1。これらの系の中で、良好な生体適合性、調整可能な機械的特性、および機能的可塑性を特徴とするハイドロゲルマイクロスフェアは、薬物のローディングおよび送達に最も一般的に使用されるビヒクルの1つです2。これらは、薬物の徐放と制御された放出の両方に使用され、薬物に良好な保護効果を提供し、他の組織における薬物の非特異的影響を回避または最小化し、特定の組織構造への薬物送達を標的とすることができる3。したがって、ハイドロゲルマイクロスフェアは新しく効率的な薬物送達システムになり、この分野の研究が徐々に出現しています4。
ハイドロゲルマイクロスフェアは、通常、多糖類、タンパク質、天然ポリマー5などの生分解性材料から合成されます。その中でも、ALGは海産褐藻6から抽出された生体適合性のある生分解性多糖類である。その分子鎖には遊離ヒドロキシル基とカルボキシル基が含まれており、ほとんどの二価または多価の陽イオンと架橋して、三次元ネットワーク5を持つ水不溶性ヒドロゲル構造を形成することができます。ALGによって形成されたハイドロゲルマイクロスフェアは、中性およびアルカリ性溶液中で負に帯電した高分子電解質に変換することができます。この負電荷間の反発により、ミクロスフェアが膨らみ、カプセル化された有効成分または薬物が放出されます。これらの特性により、ALGマイクロスフェアは、薬物のローディングおよび制御放出7に広く使用されている有望な薬物担体として考慮されるようになりました。
ヒドロゲルマイクロスフェアの調製には、さまざまな方法が存在します。従来のALGMS調製方法には、通常、ゾルゲル法またはエマルジョンゾル法が含まれます。これらの方法は、標的のミクロスフェア8を得るための沈殿、共沈、ゲル化反応などのステップを含む。近年、マイクロ流体技術の継続的な発展に伴い、マイクロ流体エレクトロスプレー法は徐々に効率的で正確なマイクロスフェア調製方法9になりました。この方法は、マイクロ流体技術を利用して、マイクロファインノズルを介してポリマー溶液をエレクトロスプレーし、その後の硬化または架橋プロセス10中にマイクロメートルサイズの液滴およびマイクロスフェアを形成する。従来の方法と比較して、マイクロ流体エレクトロスプレーは、溶液の流量、電圧、微細ノズルサイズ11などのパラメータを調整することにより、マイクロスフェアの粒子サイズと形態を正確に制御できます。また、ミクロスフェアの高速連続調製が可能となり、調製効率が向上し、温和な反応条件が維持されます。また、ALGMSは、放出制御薬や充填触媒など、さまざまな機能を持つように準備することができ、様々な分野での応用が容易です。
ここでは、マイクロ流体エレクトロスプレー法を用いたALGマイクロスフェアの調製に関するプロトコールを紹介します。このプロセスでは、ALG溶液をマイクロ流体デバイスに通し、エレクトロスプレーにかけます。得られた液滴を、異なる金属イオン(Ca2+、Cu2+、Zn2+、Fe3+)を含む溶液に集めて、架橋反応を開始しました。この反応により、ミクロスフェアの安定性と接着性が向上し、マイクロスフェアにさまざまな機能が付与されます。この方法は簡単に実行でき、合成されたミクロスフェアは、その形態において良好なサイズ均一性を示します。さらに、それらの抗菌特性、緩慢な薬物放出能力、および生体適合性を調査しました。このプロトコールは、さらなる医薬品の開発と生産に役立ちます。
実験で使用した血液は、体重20〜25g、生後約7週間のSPFグレードのBALB/c雌マウスから採取しました。浙江樹仁大学の動物実験倫理委員会は、すべての動物の世話と実験手順を承認しました。
1. 溶液の調製
2. マイクロ流体エレクトロスプレー装置
3. ALGマイクロスフェアの準備
4.抗菌性能試験
5. 薬物放出試験
6. 溶血検査
7. 細胞生体適合性試験
異なる金属イオンと架橋されたALGMSの特性評価
Ca-ALGMS、Cu-ALGMS、Zn-ALGMS、およびFe-ALGMSの光学形態を 図2に示すと、良好な球形度、滑らかな表面、均一な粒度分布(補足図2)、および優れた単分散性を示します。さらに、走査型電子顕微鏡(SEM)とエネルギー分散型分光法(EDS)分析を用いた顕微鏡的評価を行いました。 図3に示すように、ミクロスフェアは一般的に球形で、真円度が明確に定義されていました。Zn-ALGMSの表面は不均一に分布しており、シワが多くざらざらして見えました。エネルギー分散型分光法を行い、ゲル中の架橋反応に関与する金属イオンの含有量分布を決定しました。特に、マイクロスフェアのサイズは、収集距離、ゲル濃度、および電界電圧12などのパラメータを変更することによって調整することができる。概説されたプロトコルでは、マイクロ流体デバイスのパラメータと液体濃度を調整することにより、特定の要件に応じて異なるサイズの粒子を容易に得ることができます。
抗菌特性の評価
図4に示すように、プレート法を使用して、さまざまなミクロスフェアの抗菌能力を評価しました。さまざまなミクロスフェアが大腸菌と黄色ブドウ球菌に対して抗菌活性を示し、Cu-ALGMSとZn-ALGMSが最も強い抗菌特性を示しました。この高い有効性は、金属、すなわち銅(Cu)および亜鉛(Zn)13の抗菌活性に起因する可能性があります。Sukhodubらは、Fe3+、Zn2+、Ca2+、およびCu2+がキトサンと相乗的な抗菌効果を示したが、キトサンを含まないサンプルはそのような活性を示さなかったことを示し、形成された複合体の相乗的な抗菌効果を検証した14。得られた結果は、細菌性感染症の治療において、Cu-ALGMSおよびZn-ALGMSが他のハイドロゲルマイクロスフェアよりも優れているという、この研究と一致しています。
薬物放出特性の評価
BSAをモデル薬物として、さまざまな金属ベースのアルギン酸ヒドロゲルマイクロスフェアからの薬物放出を評価したところ、それらの放出プロファイルの違いが明らかになりました。(補足図3)。イオンは、他の材料よりも優れたゆっくりとした薬物放出能力を示しました。Fe2+ の薬物放出速度は他の3つのイオンよりも比較的速かったのに対し、Ca2+ とZn2+ の薬物放出速度は比較的遅かった。これらの結果は、異なるイオンが薬物放出に及ぼす影響の違いを浮き彫りにしています。我々は、Fe2+ が薬物と相互作用するか、または放出を容易にする方法で結合するのに対し、Ca2+ とZn2+ は薬物により強く結合するか、または放出速度を制限する他の要因があると仮定しています。このヒドロゲルマイクロスフェアからの持続的な薬物放出は、金属とアルギン酸多糖類との間の架橋強度に関連している可能性があります。さらに、BSAと比較したさまざまな金属の吸着能力の違いが、薬物遅延能力に観察された違いに貢献した可能性があります。
生体適合性評価
良好な生体適合性は、臨床応用における薬物送達担体の前提条件です。そこで、 in vitro 溶血試験を用いてミクロスフェアの血液適合性を評価しました。ポジティブコントロールとして純水を使用し、ネガティブコントロールとしてPBS溶液を使用しました。実験結果を 補足図4に示し、懸濁液中の赤血球が異なるマイクロスフェアと接触しても無傷のままであったことを明らかにし、マイクロスフェアによる溶血が最小限であることを示しています。細胞生体適合性の結果は、マイクロスフェアが細胞活性に影響を与えないことを示しました(補足図5)。これらの結果から、ミクロスフェアは良好な血球適合性を有することが示されました。

図1:アルギン酸ヒドロゲルマイクロスフェアの調製(A)マイクロ流体エレクトロスプレー技術の導入。(B)マイクロ流体エレクトロスプレープロセスのリアルタイム画像。(c)調製したCa2+、Cu2+、Zn2+、およびFe3+アルギン酸ヒドロゲルマイクロスフェア。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:アルギン酸ヒドロゲルマイクロスフェア顕微鏡写真。 PBS(pH 7.4)中の(A)Ca-ALGMS、(B)Cu-ALGMS、(C)Zn-ALGMS、および(D)Fe-ALGMSの顕微鏡写真。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:走査型電子顕微鏡とエネルギー分散型分光法。 画像は、(A)Ca-ALGMS、(B)Cu-ALGMS、(C)Zn-ALGMS、(D)Fe-ALGMSの特性を示しており、走査型顕微鏡データにはiとii、分光データにはiii-vがあります。画像iii-vはEDSマッピングを示しており、EDSはサンプル表面上の面を選択してスキャンし、領域全体の元素分布情報を取得します。マップスイープモードは、図に示すように、各要素が異なる色で表される材料の組成分析、位相ゾーン分析、および材料の粒度分布のアプリケーションで使用されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図 4. ミクロスフェアの抗菌特性。(A) グループの抗菌特性は、細菌塗抹法を使用して試験されました。 (B、C) 各グループの細菌塗抹標本プレートカウント結果の定量化。対照サンプルは、LB培地で増殖したコロニーを添加せずに示しています。他の細菌の相対的なコロニーは、対照群のクローン数を100%とし、それをベースラインとして使用することによって計算されました。エラーバー:標準偏差、n = 3。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
補足図1:ガラス管は、長いゴム管を介してシリンジに接続されています。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図2:粒子サイズ。 (A)Zn-ALGMS、(B)Ca-ALGMS、(C)Cu-ALGMS、(D)Fe-ALGMS。すべてのサンプルに5%のモル濃度を使用しました。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図3:薬物放出。 PBS(pH 7.4)におけるCa-ALGMS、Cu-ALGMS、Zn-ALGMS、およびFe-ALGMSの薬物放出曲線。エラーバー:標準偏差、n = 3 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図4:Ca-ALGMS、Cu-ALGMS、Zn-ALGMS、およびFe-ALGMSの溶血アッセイ。 PC(ポジティブコントロール):ddH2O;NC(ネガティブコントロール):PBS。エラーバー:標準偏差、n = 3。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図5:異なるイオンと架橋されたミクロスフェアの細胞毒性。 Zn-ALGMS、Ca-ALGMS、Cu-ALGMS、およびFe-ALGMSの生体適合性評価を行いました。Calcein-AM/PIを使用してテストを実行し、ここでの結果については、5つの視野をランダムに選択しました。ImageJを使用して、赤血球と死細胞の比率を分析し、相対的な細胞生存率を取得しました。1.PC、ポジティブコントロール、2.NC、ネガティブコントロール、3.Zn-ALGMS、4。Ca-ALGMS、5.Cu-ALGMS、6。Fe-ALGMS、エラーバー:標準偏差、n = 3。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
このプロトコルでは、マイクロ流体エレクトロスプレー技術に基づくALGMSの調製方法を紹介します。この方法は操作が簡単で、均一な真円度と制御可能な直径を持つ多数のミクロスフェアが得られます。このアプローチは、研究者に利便性を提供し、ハイドロゲルマイクロスフェアの研究と応用を促進することができます。さらに、異なる金属イオンと架橋することにより、ALGMSの安定性と生理活性が向上しました。抗菌実験では、Cu-ALGMSとZn-ALGMSは有意な細菌抑制効果を示しました。
ハイドロゲルミクロスフェアは、優れた可塑性を持つ柔軟なミクロ構造であり、特定の材料選択と構造設計を通じて効果的な薬物送達を可能にします。アルギン酸は、温和な条件下でゲル化する天然の多糖類で、生体適合性、生分解性、無毒です。ミクロンスケールのアルギン酸ナトリウムマイクロスフェアは、製薬研究、薬物送達、組織工学など、生化学および生物医学で広く使用されています。薬物送達アプリケーションにおけるアルギン酸ナトリウムマイクロスフェアの主な利点は、持続的な薬物放出の能力であり、高濃度の医薬品有効成分を長期間にわたって維持することが保証されます14。私たちの持続的な薬物放出実験により、異なるイオン性架橋を持つALGMSは薬物放出を持続する能力を持ち、薬物送達アプリケーションに使用できることを明らかにしました。
ハイドロゲルマイクロスフェアの一般的な製造方法には、バッチ乳化、機械的粉砕、リソグラフィー、マイクロ流体エマルジョン、エレクトロスプレー8,15などがあります。バッチ乳化および機械的破砕方法の利点は、製造方法の単純さと高い出力効率にあります。しかし、これらの手法を用いて個々のハイドロゲルマイクロスフェアの形状を制御することは困難です。フォトリソグラフィーでは、マスクプレートまたはモールドに光を集束させて架橋を硬化させ、ハイドロゲルマイクロスフェアを形成します。ただし、この方法の生産効率は、マスクプレート、光源、および金型の影響を受けやすくなります。さらに、マイクロ流体エマルジョン法は、ヒドロゲルマイクロスフェアの成形プロセスをより適切に制御し、指定された形状のヒドロゲルマイクロスフィアを製造することができます。しかし、その生産効率は低い16。これらの方法と比較して、マイクロ流体エレクトロスプレー法は、均一なサイズ、規則的な形状、および調整可能な粒子サイズ17のヒドロゲルマイクロスフェアを生成することができます。このプロトコルの重要なステップは、マイクロスフェアの調製です。微小球体のサイズおよび形状は、ガラス管の平坦度、電圧値、および流量18によって異なり得る。また、マイクロ流体エレクトロスプレー技術を使用してミクロスフェアを調製することには、マイクロチャネルが詰まりやすく歩留まりが限られていること、材料の適合性が限られていること、プロセスのスケールアップが難しいこと、プロセスの制御と監視が難しいことなど、いくつかの制限があります。これにより、それらの広範な適用がある程度制限されます19。
要約すると、マイクロ流体エレクトロスプレー技術は成熟したマイクロスフィア調製方法であり、ワンステップ合成の利点を提供します。流路サイズパラメータを最適化し、材料の濃度と流量を制御することにより、さまざまな形態とサイズのミクロスフェアを簡単に取得できます。特に、このプロセスには水相のみが含まれ、追加の界面活性剤は含まれていないため、環境に優しく、操作が簡単で、複雑な洗浄プロセスが不要です。この方法は、アルギン酸ゲル化プロセスと同様に、ハイドロゲル材料からミクロスフェアを生成するための戦略を提供します。
利益相反は開示されません。
本研究は、浙江樹仁大学の研究プロジェクト(2023R053および2023KJ237)の支援を受けて行われました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 120メッシュスクリーン | Solarbio、中国 | YA0946 | |
| アルコールバー | ナーSolarbio、中国 | YA2320 | |
| BALB / cマウス | Wukongバイオテクノロジー、中国 | ||
| Bicinchonin酸アッセイ試薬 | Meilunbio、中国 | MA0082 | |
| ウシ血清アルブミン | Lablead、中国 | 9048-46-8 | |
| CaCl2 粉末 | アラジン、中国 | 10043-52-4 | |
| Calcein-AM/PI | Biosharp、中国 | BL130A | |
| 遠心分離管 | コーニング、アメリカ | 430290 | |
| CuSO4 粉末 | Jnxinyuehuagong、中国 | 7758-99-8 | |
| DMEM | Gibicol、中国 | C11995500BT | |
| FeCl3 粉末 | アラジン、中国 | 7705-08-0 | |
| ウシ胎児血清 | 博多、中国 | HN-FBS | |
| ガラス管 | ザルトリウス、ドイツ | CC0028 | |
| 光学顕微鏡 | Evidentscientific、日本 | BX53(LED) | |
| マイクロ流体シリンジポンプ | Longerpump、イギリス | LSP01-3A | |
| NIH3T3 | HyGyte、中国 | TCM-C752 | |
| ペトリ皿 | サーモフィッシャー、アメリカ | 150464 | |
| リン酸緩衝液生理食塩水 | サーモフィッシャー、アメリカ | 3002 | |
| 走査型電子顕微鏡 | サーモフィッシャー、アメリカ | アクシアChemiSEM | |
| アルギン酸ナトリウム粉末 | Bjbalb、中国 | Y13095 | |
| ZnSO4粉末 | Jnxinyuehuagong、中国 | 7733-02-0 |
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