Methodenartikel

Bereiding van geconcentreerd, lipide-gebaseerde Oxygen Microbellen emulsies door High Shear homogenisering en Serial Concentratie

14.7K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/51467

⸱

26 mei 2014

 ,  ,  , 
1Department of Cardiology, Boston Children's Hospital, Harvard Medical School, 2Department of Anesthesiology and Critical Care, Children's Hospital of Philadelphia, University of Pennsylvania

In dit artikel

Samenvatting

We beschrijven werkwijzen voor de bereiding van grote hoeveelheden lipide-gebaseerde zuurstof microbellen (LOM) ontworpen voor intraveneuze zuurstoflevering onder hoge afschuiving homogenisatie en seriële concentratie.

Samenvatting

Met gas gevulde microbolletjes zijn ontwikkeld als ultrageluid contrast en drug delivery agenten. Microbellen kan worden verkregen door verwerking oppervlakteactieve middels sonicatie, mechanisch roeren, microfluïdische apparaten of homogeniseren. Onlangs zijn lipide-gebaseerde zuurstof microbellen (LOM) is ontworpen om zuurstof intraveneus toedienen tijdens medische noodgevallen, omkeren levensbedreigende hypoxemie, en voorkomen van verdere orgaanschade, hartstilstand en de dood. We presenteren methoden voor opgeschaalde productie van zeer zuurstofrijk microbellen met een closed-loop high-shear homogenisator. Het proces kan 2 L van geconcentreerde LOM's (90% van het volume) te produceren in 90 minuten. Resulterende belletjes hebben een gemiddelde diameter van ca. 2 pm en een reologisch profiel overeenkomend met die van bloed wanneer verdund tot 60 volume%. Deze techniek produceert LOM's in hoge capaciteit en met een hoge zuurstof zuiverheid, wat suggereert dat deze techniek bruikbaar voor translationeel onderzoek labs kunnen zijn.

Inleiding

Microbubbles samengesteld eiwit, polymeer en lipide schelpen zijn ontwikkeld als vectoren voor geneesmiddelafgifte, gentherapie en ultrageluid contrastmiddelen 1-5. Omdat deze therapeutische toepassingen vereisen intravasculaire microbellen doorzettingsvermogen, worden dergelijke microbellen vaak gevuld met inert, moleculair gewicht gassen hoog zoals perfluorkoolstoffen 6, die een lage oplosbaarheid hebben in het bloed en het stabiliseren van de bel 3,4.

Onlangs zijn lipide-gebaseerde zuurstof microbellen (LOM) is ontworpen om de therapeutische doses van zuurstof, die end-orgel zuurstof levering kunnen behouden en tijdens perioden van luchtwegobstructie of hypoxemie 7 voorkomen hemodynamische instabiliteit te leveren. Emulsies ontworpen voor intraveneuze gas levering vereisen verschillende design kenmerken dan die welke worden gebruikt voor ultrageluid contrastmiddelen of gerichte toediening van medicijnen. Ten eerste, omdat het lichaam verbruikt grote hoeveelheden zuurstofgas (~ 200 ml / min), LOM worden vervaardigd engeïnjecteerd op grote schaal. Dit vereist dat het productieproces efficiënt. Ten tweede moet het productieproces gesloten lus om stikstof besmetting door de blootstelling van LOM (dat moet worden gevuld met 100% zuurstof) vermijden omgevingslucht. Ten derde, omdat het doel van het LOM is intraveneuze levering van gas, het gas fractie van LOM gemaximaliseerd moet worden, erkenning van de voorwaarden door emulsie viscositeit 7 beperkingen. Ten slotte, zoals bij elk intraveneus injecteerbare, nauwkeurige controle over deeltjesgrootteverdeling is essentieel voor het vermijden van microvasculaire obstructie 8.

Er zijn een aantal gevestigde methoden voor microbellen vervaardigen. Sonicatie gebruikt hoge intensiteit laagfrequente ultrageluid toegepast op de lucht-vloeistof-interface van een emulsie die een oppervlakteactieve stof, zoals een amfipathische fosfolipide, in aanwezigheid van een gas kopruimte om microbellen 7,9 produceren omvat. Dit proces is regelbaar door het variëren ultrageluidsfrequentie, kracht en pulsduur en de verkregen grootteverdeling kan worden aangepast aan microbellen een specifieke grootteverdeling produceren, maar sonicatie zelden gebruikt bij de vervaardiging van klinisch gebruikte microbellen. Fusie is de intense mechanische agitatie van een oppervlakteactieve stof en gas in een gesloten systeem, dat ook moeilijk te schalen naar grote volumes 2 tegemoet. Droplet-gebaseerde microfluidics zorgt voor een precieze controle van microbellen grootteverdeling 10-13. Hoewel traditioneel moeilijk op te schalen, multi-channel, high-speed microfluidics beschreven die microbellen productie-efficiëntie te verhogen 13. Microbellen vervaardigd met behulp van een van deze methoden kan de post-productie verkleinen van de deeltjes processen, zoals centrifugaal fractionering 14,15 en microbellen beursgang 16,17 nodig.

Een andere beproefde methode voor het vervaardigen van zeer stabiele microbellen is shear homogenizatie 6, wat kan resulteren in een stabiliserend fosfolipide hexagonaal patroon op het oppervlak microbelletjes 18. Voortbouwend op dit concept, beschrijven we de oprichting van een in-line high shear homogenisator naar zelfassemblage LOM 19 te creëren. In dit proces, maakt gebruik van de homogenisator snel roterende messen in de nabijheid van dual fijnmazige emulgeerzeef schermen, het creëren van een hoge mechanische en hydraulische schaar voor de creatie van microbellen. Seriële concentratie van het lipide-emulsie via dit systeem levert een verhoogde concentratie gasfractie, die verder kan worden geconcentreerd door centrifugatie.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Systeem Set-up

Het systeem bestaat uit een holding en het concentreren van de tank (HCT), met een enkel podium mixer, een in-line high shear homogenisator, een roller pomp vloeistof tussen de HCT en de homogenisator bewegen, en een warmtewisselaar (figuur 1).

  1. Plaats een gesteriliseerde, brede opening 4 L glascollectie vat uitgerust met 2 voet-poorten en 3 poorten aan de zijkant onder de single stage mixer. Laat de mixer hoofd tot aan de monding van het schip en zorgen voor een gasdichte montage met behulp van rubber afdichtingen of tape (om te voorkomen dat de lucht verontreinigen het hoofd ruimte).
  2. Monteer een van de basis-poorten (Figuur 1, poort # 1) van het HCT met steriele 3/8 "(ID) transparante slang, ongeveer 10" lang, uitgerust met een 3-weg kraan aan het uiteinde voor het verzamelen van de geconcentreerde emulsie .
  3. Monteer het tweede honk poort (Figuur 1, poort # 2) met steriele 3/8 "(ID) slangen, approximately 36 'lengte. Voed deze slang door een roller pomp. Passen bij de inlaat van de high shear homogenisator met een T-stuk met twee poorten en sluit als volgt: Sluit de leidingen van de haven # 2, door de rol pomp en aan te sluiten op de zijpoort van het T-stuk. Maak de andere poort om een ​​zuurstoftank met een low-flow zuurstofgas flowmeter.
  4. Verbind de uitlaatpoort van de hoge afschuiving homogenisator naar de inlaatpoort van een in-line warmtewisselaar gehandhaafd op 4 ° C. Verbind de uitlaatpoort van de warmtewisselaar aan de terugvoerpoort van de HCT (figuur 1, poort # 3), waardoor een gesloten lussysteem.
  5. Bevestig een zuurstoftank (via een flowmeter) aan de HCT (Figuur 1, poort # 4). Bevestig een gassamenstelling monitor die open sfeer aan de bovenste poort van de HCT (Figuur 1, poort # 5) is.
  6. Als steriliteit gewenst is, steriliseren van de glazen en metalen onderdelen voor elk gebruik door autoclaaf. Steriliseer de slang componenten en kunststof connectors met ethyleenoxide voor elk gebruik. Dit is vooral belangrijk wanneer het product wordt getest in vivo.

2. LOM Fabricage

  1. Breng 20 g GMP 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-fosfocholine (DSPC) en 10 g cholesterol in de basis van de HCT. Voeg 1 L van Plasma-Lyte A de HCT en hand roer gedurende 1 min, integreren zoveel lipide mogelijk in waterfase.
  2. Laat de enkele mengtrap in de waterige fase, zodat de gehele mengkop onder de waterfase. Zorg ervoor dat de bovenkant van de HCT is gasdicht (zie stap 1.1 hierboven) en dat er geen open poorten aan de zijkant. Zet het gas bron bevestigd aan de haven # 4 en wacht totdat het zuurstofpercentage van de HCT kopruimte bereikt> 95%. Bij 10 L / min (LPM), moet dit ~ 10 minuten.
  3. De eentraps mixer, meng de precursor emulsie gedurende 5 minuten bij 5000 rpm. Het resulterende mengsel moet bleke witte verschijnen en bevat geen zichtbare Lipid bosjes. Eenmaal gemengd, kunnen ongebruikte lipide-watermengsel worden opgeslagen bij 4 ° C gedurende maximaal 30 dagen voor eenmalig gebruik.
  4. Prime de gehele closed loop systeem met de voorloper emulsie door te draaien op de rol pomp op 1,3 LPM. Zodra het systeem helemaal klaar, laat u de pomp op op 1,3 LPM.
  5. Om de productie van de LOM beginnen, zet de in-lijn hoge afschuiving homogenisator tot 7.500 tpm. Onmiddellijk daarna Schakel zuurstoftoevoer naar het inlaatdeel van de homogenisator 0.5 LPM. Houd de eentraps mixer (in het HCT) op bij 3.500 tpm. LOM gevormd op het grensvlak van rotorbladen en emulgeerzeef schermen binnen de in-line homogenisator (figuur 2). Binnen enkele minuten, moet vloeistof zichtbaar meer viskeus. Een meer rigoureuze benadering is de viscositeit als functie van de tijd, die kan worden gedaan door het verwijderen van porties van Port 1 tijdens fabricage en analyseren met een viscometer.
    Opmerking: Als zichtbare luchtbellen in de slang het verlaten van de mixer, zuurstofstromen naar de in-line homogenisator te hoog. Titreer beneden gasstroom tot de vloeistof is ondoorzichtig en bevat geen zichtbare gasbellen.
  6. Voer het systeem gedurende 15 minuten, en zet de high shear homogenisator en de zuurstof inlaat aan. Blijf de eentraps mixer draaien in de HCT totdat de emulsie wordt verwijderd; Dit vermindert fasescheiding en houdt het product relatief uniforme binnen het HCT.
    Opmerking: Het volume van de gasgevulde emulsie een ongeveer 2-3x verhogen tijdens de seriële concentratiefase. Als dit niet gebeurt, controleer dat zuurstof stroomt in de high shear homogenisator en dat lipide concentraties in de voorloper emulsie correct zijn. Rendement van de af lipide concentratie afneemt.

3. Collection, Concentratie, Assessment, en opslag van LOM

  1. Bevestig een steriele, gemodificeerd 140 ml luerlockspuit aan de kraan bevestigd aan thuishaven # 1 op het vat. Opstellen 100 ml vloeistof. Nauw cap spuit en herhaal tot alle vocht is verwijderd.
    1. Spuiten wijzigen door intrekking van 100 ml lucht in de spuit en dan zagen het overtollige zuiger en spuit materiaal boven de 140 ml markering. Vullen en lege spuiten met behulp van getande tang voor het opstellen van de plunjer. Deze wijziging maakt het mogelijk makkelijker centrifugeren.
  2. Centrifugeer spuiten met het afgedekte gedeelte omlaag gericht in een gekoelde (4 ° C) bucket centrifuge bij 225 xg gedurende 10 minuten.
  3. Drie lagen van materiaal verschijnen na centrifugeren. Verdrijf de onderste laag van overtollig bewolkt waterfase en gooi deze weg. De tweede laag is helder wit en bevat geconcentreerde LOM. Transfer geconcentreerd schuim om een ​​gasondoorlaatbare spuit met een drie-weg kraan om verontreiniging van de omgeving wordt voorkomen. Gooi de laatste laag, die vrije zuurstof gas van gescheurde LOM's bevat.
  4. Schuim kwaliteit kan worden beoordeeld door het bereiken van ≥ 90% gas geconcentreerd schuim. Calculaten gasconcentratie als volgt:
    Volume% gas = [(Foam gewicht / Foam volume) - 1] x 100
    1. Als tweede kwaliteitscontrole maat microbellen door lichtverstrooiing te bepalen of deeltjesgrootte binnen het verwachte bereik. Opgemerkt zij dat een verandering in homogenisatietijd of formulering bellengrootte zouden kunnen wijzigen.
  5. Nauw cap het glas spuit met een luer-lock fitting. Geconcentreerde LOM kunnen met Plasma-Lyte A verdund worden op het moment van gebruik. Spuiten kunnen worden bewaard bij 22, 4, of -20 ° C; koudere temperaturen kunnen verbeterde houdbaarheid stabiliteit 7 bieden.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Hoge afschuiving homogenisering kan de efficiënte (dwz binnen een middag) productie van voldoende LOM's voor een studie bij dieren en geen technische expertise nodig. Eenmaal bedreven, kan tot 2 L van geconcentreerde LOM's worden vervaardigd in 90 minuten.

Microbellen grootte en morfologie werd beoordeeld door lichtmicroscopie en door lichtverstrooiing. Wanneer een 10 ul monster van LOM werd gevisualiseerd werden bolvormige LOM genoteerd, evenals een relatieve schaarste aan ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

De belangrijkste stappen voor het creëren van geconcentreerde, zeer zuurstofrijk LOM's omvatten: 1) ervoor zorgen dat de bovenruimte in het HCT volledig blijft zuurstofrijk; 2) ervoor te zorgen dat de zuiverheid van de lipide hulpstoffen is optimaal (inclusief opslagcondities en het gebruik van GMP-producten); 3) de garantie dat de poedervormige lipiden mengen volledig met de waterige fase voorafgaand aan het systeem priming; en 4) met veel aandacht voor de stijging van de gas-fractie binnen het HCT om ervoor te zor...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen.

Dankbetuigingen

Financiering: US Army Medical Research & Materieel Command (USAMRMC) en beheerd door de Telemedicine & Advanced Technology Research Center. Shunxi Ji droeg de wijziging van de injectiespuiten zoals hier beschreven.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
1,2-distearoyl-sn-glycero-3-fosfocholine (DSPC)Avanti Polar Lipids770365Alternatief product: niet-GMP van NOF America (Coatsome MC-8080)
CholesterolSigma AldrichC75209
Plasma-Lyte AVWR80089-818Alternatief kan NaCl worden gebruikt
Glas opvangvatSpecialty Glass, Inc.Op maatContact: Pam Zurbrick - 281-595-2210
Gassamenstelling (zuurstof) monitorPrecision MedicalPM5900L
Sarns 8000 rolpompCalicut Medical16407Onderdeel van een modulair perfusiesysteem
BIOtherm WarmtewisselaarMedtronicECMOtherm-II
Verso laboratorium in-line mixerSilverson Machines, IncTH-IL-102-VERSOGebruik meervoudige werkhoofden en front-end verlenging met T-stuk
T-stuk voor Silverson Verso inlaatpoortProcess InnovationsOp maatContact: Brian Leavitt - 508-423-2266
L5M-A laboratoriummixerSilverson Machines, IncNC0136483Gebruik gaas emulsorscheermaal (fijn)
Rochester-Ochsner getande tangFisher Scientific13-812-18
140 ml spuitKendall Healthcare Monoject8881114030Zorg ervoor dat er een luer lock is.
IX71 omgekeerde lichtmicroscoopOlympusIX71
Retiga-2000R microscoopcameraQImagingRET-2000R-F-M-12
Accusizer 780A AutodilutionPSS-NICOMP Particle Sizing SystemsNiet meer in productie

Referenties

  1. Lentacker, I., De Smedt, S. C., Sanders, N. N. Drug loaded microbubble design for ultrasound triggered delivery. Soft Matter. 5 (11), 2161-2170 (2009).
  2. Ren, J. L., et al. A Novel Ultrasound Microbubble Carrying Gene and Tat Peptide: Preparation and Characterization. Academic Radiology. 16 (12), 1457-1465 (2009).
  3. Tinkov, S., et al. Microbubbles as Ultrasound Triggered Drug Carriers. Journal of Pharmaceutical Sciences. 98 (6), 1935-1961 (2009).
  4. Hernot, S., Klibanov, A. L. Microbubbles in ultrasound-triggered drug and gene delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 60 (10), 1153-1166 (2008).
  5. Lanza, G. M., et al. A novel site-targeted ultrasonic contrast agent with broad biomedical application. Circulation. 94 (12), 3334-3340 (1996).
  6. Cavalli, R., et al. Preparation and characterization of dextran nanobubbles for oxygen delivery. International Journal of Pharmaceutics. 381 (2), 160-165 (2009).
  7. Kheir, J. N., et al. Oxygen Gas-Filled Microparticles Provide Intravenous Oxygen Delivery. Science Translational Medicine. 4 (140), (2012).
  8. Lindner, J. R., et al. Microvascular rheology of definity microbubbles after intra-arterial and intravenous administration. Journal of the American Society of Echocardiography. 15 (5), 396-403 (2002).
  9. Zhao, Y. Z., et al. Preparation, characterization and in vivo observation of phospholipid-based gas-filled microbubbles containing hirudin. Ultrasound in Medicine and Biology. 31 (9), 1237-1243 (2005).
  10. Seo, M., et al. Microfluidic Assembly of Monodisperse, Nanoparticle-Incorporated Perfluorocarbon Microbubbles for Medical Imaging and Therapy. Langmuir. 26 (17), 13855-13860 (2010).
  11. Wan, J. D., Stone, H. A. Coated Gas Bubbles for the Continuous Synthesis of Hollow Inorganic Particles. Langmuir. 28 (1), 37-41 (2012).
  12. Duncanson, W. J., et al. Monodisperse Gas-Filled Microparticles from Reactions in Double Emulsions. Langmuir. 28 (17), 6742-6745 (2012).
  13. Kendall, M. R., et al. Scaled-Up Production of Monodisperse, Dual Layer Microbubbles Using Multi-Array Microfluidic Module for Medical Imaging and Drug Delivery. Bubble Science Engineering and Technology. 4 (1), 12-20 (2012).
  14. Szijjarto, C., et al. Effects of Perfluorocarbon Gases on the Size and Stability Characteristics of Phospholipid-Coated Microbubbles: Osmotic Effect versus Interfacial Film Stabilization. Langmuir. 28 (2), 1182-1189 (2012).
  15. Rossi, S., Waton, G., Krafft, M. P. Phospholipid-Coated Gas Bubble Engineering: Key Parameters for Size and Stability Control, as Determined by an Acoustical Method. Langmuir. 26 (3), 1649-1655 (2010).
  16. Swanson, E. J., et al. Phospholipid-Stabilized Microbubble Foam for Injectable Oxygen Delivery. Langmuir. 26 (20), 15726-15729 (2010).
  17. Kvåle, S., et al. Size fractionation of gas-filled microspheres by flotation. Separations Technology. 6 (4), 219-226 (1996).
  18. Dressaire, E., et al. Interfacial polygonal nanopatterning of stable microbubbles. Science. 320 (5880), 1198-1201 (2008).
  19. Kheir, J. N., et al. Bulk Manufacture of Concentrated Oxygen Gas-Filled Microparticles for Intravenous Oxygen Delivery. Advanced Healthcare Materials. , (2013).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Lipidegebaseerde zuurstofmicrobellenzuurstofvolumepercentagedeeltjesgrootteverdelinggasconcentratiemetingemulsieviscositeitsanalysegesloten lussysteemcentrifugatieconcentratielichtverstrooiingstechnologie

Gerelateerde artikelen