Name: 制御された薬物放出のための磁場応答性ハイブリッドゼラチンマイクロゲルを交互に (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-13T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 11 s
Description: 学ぶ磁場応答性ハイブリッドゼラチンマイクロゲルの作製法。ゲンイピン架橋とPNIPAM共重合体を用い、交番磁場による制御薬物放出を実現します。生分解性材料を活用したオンデマンド薬物送達システムの開発に応用可能です。

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この研究はMKにファリス家族イノベーション賞とNIH 1R01NR015674-01によってサポートされていました。著者らは、電磁発電システムだけでなく、彼の技術相談を提供するためのジョセップNayfach（Qteris、Inc）をお願いいたします。著者らはまた、彼女の技術的なアシスタントのフアンヤン（LCI＆化学物理学際プログラム、ケント州立大学）を感謝します。

注：磁場応答ゼラチンミクロゲルを製造する全体的なプロセスは、 図1Aに示されています。 1.準備溶液及び懸濁液<ol><li>リン酸緩衝生理食塩水2mlにゲニピン20mgを溶解することにより架橋剤ゲニピン溶液（w / vで1％）を調製（1×PBS、pH7.4）で。渦2時間50 O Cの水浴中で溶液と場所は完全に溶液に溶解します。 </li><li>ポリ（エチレングリコール）、ポリ20mgの（エチレングリコール） -ポリ（プロピレングリコール）を溶解することにより、界面活性剤溶液を調製し（M W = 2,900ダ; L64と称する）100の濃度になるようにPBS 200mlにppmです。 </li><li> PBS 0.43 ml中のゼラチンの64.5 mgを溶解することにより15％（w / v）のゼラチン溶液を調製します。渦ソリューションと、それは解決策が流体になるゾル相に達するまで37 O℃で水浴上に置きます。目を確実にするために3回 - その後、ゼラチン溶液2をボルテックスサンプルの電子の均一性。 </li><li> P（NIPAM- 共同 -AAm）モデル薬物と/のMNP溶液（BSA）の調製： <ol><li> PBSの0.43ミリリットル中に親水性のMNPの10.75ミリグラムを分散した後、3％の濃度を作るためにMNPサスペンションのpの12.9ミリグラム（NIPAM- 共同 -AAm）を溶解（w / v）の。 Pの濃度増加（NIPAM- 共 -AAm）はミクロゲルの増大した脱膨潤挙動を達成することができます。 </li><li>使用テキサスレッド共役ウシ血清アルブミン（TR-BSA; M ワット 〜66 kDaの）モデル薬物としては。 P（NIPAM- 共同 -AAm）/のMNPの混合物でTR-BSA 0.5mgのを溶かします。 </li></ol></li><li>その後、ゼラチン溶液（0.43ミリリットル）へのpの混合物（NIPAM- 共同 -AAm）/のMNP（0.43ミリリットル）を加えることにより、ゼラチン/ P（NIPAM- 共同 -AAm）/のMNP / BSA溶液（0.86ミリリットル）の混合物を準備し、徹底的に均質な混合物を作るためにそれらをボルテックス。このように、ポリマーおよびMNPの濃度は、最終混合物中の初期濃度の半分になります。 </li></ol><ol><li>清潔で滅菌ビーカーにシリコーンオイル[ポリジメチルシロキサン（粘度350センチストークス）]の15ミリリットルを注ぎます。 </li><li>すぐにシリコーン油にゼラチン/ P（NIPAM- 共 -AAm）/のMNP / BSA溶液（0.86 ml）を予め調製した水性混合物を追加して、900で磁気攪拌棒で攪拌することにより油相中の水性混合物を乳化30分間、30°Cの時rpmで。 </li></ol> 3.ゲル化し、水溶液にマイクロ液滴の譲渡<ol><li> 50ミリリットルチューブにビーカーからエマルション（〜16ミリリットル）を転送します。 </li><li>油中の微小液滴のゲル化のために4℃で10分間チューブをクールダウン。 </li><li> 50ミリリットルまで（4 O Cで ）準備L64溶液でチューブを記入し、精力的にチューブを振ります。また、L64の界面活性剤の一部がミクロゲル内であることが可能であってもよいです。 </li><li> 4 O℃で2300×gで20分間チューブを遠心</li><li> Regularlyは、チューブの側のゲル粒子のペレットが存在するかどうかをチェック。粒子が見られない場合は、同じ速度および温度でさらに20分間遠心します。慎重にチューブの内壁に形成されたペレットを乱すことなく、上清を除去するために進んでください。 </li><li>繰り返し手順（3.5）から（3.3）を1回以上。各時間は、ミクロゲル懸濁液中の任意の油滴の混入を避けるために、新しいチューブに試料を移します。このステップの後、界面活性剤または油滴が試料懸濁液中に存在しないことを確認してください。しかし、反復分離工程は、最初の材料の損失につながる可能性があります。 </li></ol>ミクロゲルの4.共有結合架橋<ol><li>ゲル粒子のペレットに（セクション1で調製）ゲニピン溶液2 mlを加え、その溶液をボルテックスしてよく混ぜます。 </li><li>迅速デの間に共有結合架橋反応を開始するために23°Cの水浴中で懸濁液のチューブを移しますIRED架橋時間 （例えば、5 - 。120分）。 </li><li>架橋後、直ちに、ゲニピン液を捨て、PBSでマイクロゲルを再懸濁し、2300×gで（4 O℃）で20分間チューブを遠心分離することにより、任意の過度の架橋剤を除去します。必要に応じて、慎重にピペットチップで離れて形成されたペレットを破ります。ゲニピンは依然として溶液中に残っている場合は、この洗浄工程を3回まで繰り返すことができます。 </li><li>血球計数をカウントすることにより、上清を廃棄し、所望の濃度でPBS中のミクロゲルを再懸濁（ 例えば 、5×10 6ミクロゲル/ミリリットル）。 </li><li>顕微鏡観察のために、スライドガラスとカバーガラスとの間の空間にミクロゲル懸濁液をロードし、エポキシ樹脂とカバースリップの境界をシールします。 </li></ol>薬物放出をトリガするための交番磁界の5.アプリケーション<ol><li>水性媒体中のミクロゲルの所望の濃度にしてチューブを配置磁気コイルのチャンバー。必要であれば、AMFの適用中にメディアの温度変化を監視するために、チューブ内に光ファイバ温度プローブを挿入します。 </li><li>高周波（&gt; 100 kHzの）はAMF定義された電界強度（&gt; 5 kAの/メートル）で、指定した期間に適用されます。 AMF、遠心分離機の適用後2,273×gで（4 O℃）で20分間、試料管およびTR-BSAの量を定量するために上清を回収することは、分光光度法を使用して周囲の媒体へのミクロゲルから放出。テキサスレッドの励起および発光波長はそれぞれ、584 nmおよび612 nmです。 </li></ol>

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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

ここで説明する技術は、磁気熱誘発型薬物放出のためのナノ粒子ミクロゲルハイブリッドの使用に関する概念の証拠を示しています。これは、物理的にゲニピンで架橋マイクロ三次元ゼラチンネットワーク内のMNP及びp（NIPAM- 共 -AAm）鎖を捕捉することによって達成されました。磁場応答プラットフォームは次に、モデル薬物、BSAの放出を引き起こしリモート印加AMFに応答してミクロゲル内の熱を生成するのに十分でした。 MNPとp（NIPAM- 共同 -AAm）の両方を埋め込 ​​むための戦略は、pの非存在下でのゼラチン/ MNPのミクロゲルからのBSAの放出の程度以来、ゼラチンミクロゲルから所望の薬物放出を達成するために重要であると思われる（NIPAM- 共同 -AAm）が（AMFアプリケーションへの温度上昇の程度はミクロゲルの両方のタイプに類似していたにもかかわらず、P（NIPAM- 共 -AAm）を組み込むミクロゲルからよりも有意に低かったです図2Cおよび2D）。我々は、ゼラチン/ ...

内因性または外因性のいずれかの刺激に応答してしっかりと制御された薬物送達を可能にする刺激応答性薬物送達系（ 例えば 、温度またはpH）は、広範囲の薬物送達のためのスマートソフト装置の新しいタイプとして研究されてきました。マイクロヒドロゲルは広く、彼らが制御可能かつ持続可能な薬物放出プロファイルと同様に調整可能な化学的および機械的性質1-3を与えるという点で、薬物送達プラットフォームとして使用されています。具体的には、コロイド状ミクロゲルは、低侵襲的方法4の局所組織に外部刺激及び適切な注射によるもの、それらの迅速な応答性薬物送達のためのビヒクルとして多くの利点を示します。ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）（PNIPAM）又はその共重合体が広く、ゼラチン、キトサン、アルギン酸塩、酸、またはヒアルロン酸5,6-含む生分解性/生体適合性ポリマーでPNIPAMをグラフトした熱応答性マイクロゲルの合成に採用されています、ここで、その下限臨界溶液温度（LCST）でPNIPAMの相転移特性が薬物放出7のトリガとして使用することができます。我々は最近、3次元ゼラチンネットワーク8内の微量成分としてポリ（N-isopropylacrylamide- コ -アクリルアミド）[P（NIPAM- 共同 -AAm）]チェーンを組み込むことにより、生分解性、ゼラチン系熱応答性マイクロゲルの製造を実証しました。ゼラチン/ P（NIPAM- 共 -AAm）ミクロゲルは正にウシ血清アルブミン（BSA）の放出に相関温度上昇に同調可能な脱膨潤を示しました。 過去数年の間に、オンデマンドファッション9,10に薬物の放出を誘発することができる磁気応答性薬物送達プラットフォームを開発する努力が増加しています。磁気応答性薬物送達プラットフォームの合成のための基本原理は、（超常磁性ナノ粒子の特性を利用しますMNP）は、温度感受性薬物の放出を誘発磁界を高周波交流（AMF）を受信したときに熱を発生させます。これは、このシステムは、深部組織に標的化することができるという点で、将来の臨床応用のための有望な非侵襲的なリモート制御された薬物放出を可能にし、温熱治療と磁気共鳴イメージング装置10〜12と組み合わせることができます。このようなプラットフォームは、（1）のMNP / PNIPAMハイブリッドミクロゲル粒子13-15をし、（2）肉眼ヒドロゲル足場を固定化組み込んだのMNP 16-18。 PNIPAMベースのミクロゲルプラットフォームは磁気熱刺激に細かく調整可能な体積相転移の応答性を実証しました。しかしながら、それらは依然として製造が複雑で洗練された技術に依存して、高含量のPNIPAMポリマーの使用は、それらのin vivo適用を制限することができる、細胞19に潜在的に細胞毒性であることができます。巨視的足場は相対性を示しますLY遅い外部刺激に応答し、コロイド状マイクロゲルに比べて侵襲的な外科的移植を必要とします。 油中水型乳化はサブミリまたはマイクロメートルサイズのゲル粒子20を製造するための標準的な方法でした。エマルションの水 - 油界面で、ミクロゲル粒子は、機械的せん断力下での水の液滴の表面エネルギーの最小化のために球形を形成します。この方法は、簡単な製造手順水性球状ゲル滴の大量生産を可能にし、正常な薬物送達用途21-23ゼラチンベースのミクロゲルを製造するために採用されています。 ここでは、油中水型乳化法を用いて、薬物送達用途のためmagnetothermally応答ゼラチンベースのミクロゲルを合成するための容易な方法を提示します。これは、物理的に、酸化鉄のMNP及びP（NIPAM- COを組み込むことによって達成されました-AAmと）共有結合磁界（AMF）アプリケーションシステムを高周波交流と連携して、天然由来の架橋剤ゲニピンにより架橋されている球状のマイクロスケールゼラチンネットワーク内の微量成分としてチェーン。

<table><tbody><tr><td>ゼラチン</td><td>Sigma-Aldrich、ミズーリ州、米国</td><td>G2500</td><td>ゼラチンA型、ブタ皮</td></tr><tr><td>ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド-co-アクリルアミド)&nbsp;</td><td>米国ミズーリ州シグマ・アルドリッチ</td><td>738727</td><td>MW = 20,000、LCST = 34 - 38 &#176;C</td></tr><tr><td>シリコーンオイル</td><td>Sigma-Aldrich, MO, USA</td><td>378372</td><td>Viscosity 350 cSt</td></tr><tr><td>Pluoronic L64</td><td>Sigma-Aldrich, MO, USA</td><td>435449</td><td>poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)</td></tr><tr><td>genipin</td><td>TimTec LLC, DE, USA</td> ST080860 <td></td><td>MW = 226.23</td></tr><tr><td>磁性ナノ粒子(MNPs)</td><td>Micromod Inc, Germany</td><td>79-00-102</td><td>nanomag-D-spio、100 nm</td></tr><tr><td>TR-BSA</td><td>Life Technologies、NY USA</td><td>A23017</td><td>ウシ血清(BSA)からのアルブミン、テキサスレッドコンジュゲート</td></tr></tbody></table>

制御された薬物放出のための磁場応答性ハイブリッドゼラチンマイクロゲルを交互に

Alternating Magnetic Field-Responsive Hybrid Gelatin Microgels for Controlled Drug Release

厳密に制御、オンデマンドの薬物送達を可能にする磁気応答性ナノ/マイクロ工学生体材料は、生物医学的応用のためのスマートソフトのデバイスの新しいタイプとして開発されてきました。磁気応答性薬物送達システムの数は、概念研究のインビトロでの証拠またはインビボ前臨床用途におけるいずれかを介して有効性を実証しているが、臨床設定におけるそれらの使用は、依然として、その不十分な生体適合性または生分解性によって制限されます。さらに、既存のプラットフォームの多くは、彼らの捏造のための洗練された技術に依存しています。我々は最近、物理的に3次元ゼラチンネットワーク内の微量成分としてポリ（N-isopropylacrylamide- コ -アクリルアミド）鎖を捕捉することによって、生分解性、ゼラチン系熱応答性マイクロゲルの製造を実証しました。本研究では、磁気トンを可能にする生分解性の薬物放出プラットフォームを製造する容易な方法を提示hermally薬物放出を引き起こしました。これは、交流磁場印加装置と連動して、超常磁性酸化鉄ナノ粒子およびゼラチンベースコロイドミクロゲル中の熱応答性のポリマーを組み込むことによって達成されました。

プロトコルが正しく実行された場合、製造されたマイクロゲルは、5ミクロン（ 図1BおよびC）〜20μmの間の範囲の直径でよく特徴付け球状の形態およびコロイド分散性を示すべきです。蛍光のMNPや蛍光BSAのいずれかがのMNPまたは薬物（この研究では、BSA）が正しくミクロゲル（ 図1D）内にカプセル化されているかどうかを確認するために使用することができます。製造されたマイクロゲルは安定であり、コラゲナーゼを含む任意の酵素的分解剤の不存在下で4週間まで4 O℃で保存することができます。ゼラチンミクロゲルのp（NIPAM- 共同 -AAm）の取り込みは、42°Cの 22°Cのからのメディアの温度の上昇が脱膨潤が生じた温度依存性の体積変化（ 図2A）を 、発揮することを可能にします〜40％のp（NIPAM- 共同 -AAm）を組み込むゼラチンミクロゲルのボリュームで、p以外のゼラチ...

我々は、磁気熱応答性である生分解性ゼラチン系薬物放出プラットフォームを製造する容易な方法を提示します。これは、交流磁界印加装置と連動して、ゲニピンで架橋球状ゼラチンマイクロネットワーク内の超常磁性酸化鉄ナノ粒子とポリ（N-isopropylacrylamide- コ -アクリルアミド）を組み込むことによって達成されました。

Magnetically-responsive nano/micro-engineered biomaterials that enable a tightly controlled, on-demand drug delivery have been developed as new types of ...

本プロトコルの目的は、磁気熱応答性ナノ粒子マイクロゲルハイブリッドを作製するための簡便な方法を提示し、そのハイブリッドマイクロゲルを用いた制御可能な薬剤放出の概念実証を行うことです。本プロトコルの主な利点は、工程が比較的単純であること、および、ゼラチンマトリックス内に磁性ナノ粒子と温度応答性PNIPAM共重合体を単に封入させるだけで、マイクロゲルに磁気熱応答特性を付与できることです。これにより、磁性ナノ粒子が磁波に反応して温度が上昇し、それに伴いPNIPAM共重合体が膨潤することで、交流磁場に応答した薬剤放出が可能になります。この技術の意義は、非侵襲的な外部刺激によって誘導される複数のオン・オフサイクルに反応するこの制御可能な薬物放出プラットフォームにより、オンデマンドの薬物配送システムの開発へと広がります。磁場応答性ゼラチンマイクロゲルの作製プロセスは、懸濁液中の溶液調製から始まります。基本的な溶液調製については、テキストプロトコルに記載されています。ゼラチン溶液を調製する際は、流動相に達するまでウォーターバスに浸けて保持します。その後、ボルテックスミキサーで均質化します。すべての溶液の調製が完了したら、ゼラチン溶液と磁性ナノ粒子を含むPNIPAM共重合体を等量ずつ混合し、混合物を十分にボルテックスします。次のステップでは、水系混合物をシリコンオイル中で乳化させ、界面活性剤でコーティングします。滅菌済みのビーカーにシリコンオイル 15ml を注ぎ、直ちに調製した混合物 0.86ml を加えます。その後、混合物を 30 °C、900 rpm で30分間撹拌します。エマルションを作製した後、50mlチューブに移し、4°Cで10分間冷却します。これにより、オイル中にマイクロドロップレットが形成されます。次に、チューブの大部分をPluronic L-64界面活性剤溶液で満たし、4°Cまで冷却した後、チューブを激しく振ってL-64分子をゲルの表面に吸着させ、マイクロゲル懸濁液を安定化させます。次に、チューブを2300 Gs、4 °Cで20分間遠心分離します。20分後、チューブ内にゲルの粒子のペレットができているかを確認してください。ペレットが確認できるまで、遠心分離サイクルを繰り返します。次に、上清を慎重に取り除き、冷えたL-64溶液を加えてチューブを45 mlまで満たします。チューブを激しく振って、ペレット状のマイクロゲルを界面活性剤に混ぜ合わせます。そして、懸濁液を新しい50mlチューブに移します。その後、遠心分離プロセスを繰り返し、マイクロゲルのペレットを再度回収します。次に、試料懸濁液中に界面活性剤や油滴が残っていないことを確実にするため、上清を完全に吸引除去します。マイクロゲル調製の次のステップは、ゼラチンマトリックスを架橋させることです。まず、ペレットを調製済みのGenipin溶液2mlに懸濁させます。ボルテックスミキサーを使用してください。その後、懸濁液を速やかに23 °Cの恒温水槽に移し、共有結合による架橋反応を開始させます。反応時間は5分から2時間まで任意に設定できます。反応完了後、過剰な架橋剤を除去します。前述と同様に、サンプルを4°Cで2300 Gsにて20分間遠心分離します。次に、上清を吸引して除去します。PBSによる洗浄工程を計3回繰り返し、必要に応じてピペットチップでペレットを機械的に分散させます。未反応の過剰な架橋剤を完全に除去することが極めて重要です。最後の洗浄後、PBSを用いてマイクロゲルの濃度を目的の密度に調整します。ヘモサイトメーターを用いて密度を測定してください。作製したマイクロゲルは、コラゲナーゼなどの分解剤が含まれていない場合、4 °Cで保存することで最大4週間安定です。顕微鏡でマイクロゲルを特性評価するには、マイクロゲルをスライドガラスに載せ、エポキシ樹脂を用いてカバーガラスで密封します。本手順の最終ステップは、マイクロゲルからの薬剤放出を測定することです。所定の濃度のマイクロゲルが入ったチューブを、磁気コイルチャンバー内に設置します。次に、高周波交流磁場印加中の温度変化を監視するため、光ファイバー温度プローブを挿入します。次に、規定の磁場強度および規定の時間で高周波交流磁場を印加します。処理後、チューブを4°Cで2300 Gsにて20分間遠心分離します。マイクロゲルから放出された薬物の量を定量するため、上澄み液を回収します。本手法では、分光光度法を用いてtexas redを検出します。作製したマイクロゲルは、直径5〜20 µmの範囲で、十分に特性解析された球状形態およびコロイド分散性を示すはずです。マイクロゲル内への適切な封入を確認するために、蛍光超常磁性ナノ粒子または蛍光標識BSAを使用することができます。ゼラチンマイクロゲルマトリックス中にPNIPAM共重合体が捕捉されることで、温度依存的な体積変化を示すことが可能になります。培地の温度を22°Cから42°Cに上昇させると、ゼラチンマイクロゲルは約40%脱膨潤しました。対照的に、PNIPAM共重合体を含まないゼラチンマイクロゲルでは、わずか10%の脱膨潤しか観察されませんでした。超常磁性ナノ粒子をゼラチンPNIPAM共重合体マイクロゲルに組み込んだところ、適切な高周波磁場にさらされた際にマイクロゲルの温度が上昇しました。これらのマイクロゲルから放出されたTRBSAの測定値は約35%でした。共重合体をマイクロゲルに組み込まなかった場合、TRBSAの放出は著しく低く、わずか10%程度でした。したがって、高周波磁場に応答したBSAの放出は、マイクロゲル内のPNIPAM共重合体鎖の収縮に伴う脱膨潤によるものと考えられます。このビデオを視聴することで、簡単な水中油型エマルション法を用いて、制御可能な薬剤放出を可能にする生分解性磁場応答性ナノ粒子マイクロゲルハイブリッドを作製する方法を十分に理解できるはずです。この手法を習得し、適切に実施すれば、3時間で作製することが可能です。また、本プロトコルを改変することで、近赤外光などの他の刺激に応答するマイクロゲルハイブリッドを作製することもできます。近赤外線応答性金ナノ粒子をゼラチンマトリックスに組み込むだけで実現します。

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

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制御された薬物放出のための磁場応答性ハイブリッドゼラチンマイクロゲルを交互に

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