Artykuł metodologiczny

Produkcja skoncentrowanych, mikropęcherzykowych emulsji tlenowych na bazie lipidów metodą homogenizacji przy wysokim ścinaniu i stężeniu seryjnym

DOI:

10.3791/51467

⸱

26 maja 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

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Opisujemy metody produkcji dużych ilości mikropęcherzyków tlenu na bazie lipidów (LOM) przeznaczonych do dożylnego dostarczania tlenu za pomocą homogenizacji przy wysokim ścinaniu i seryjnym zagęszczeniu.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mikropęcherzyki wypełnione gazem zostały opracowane jako ultradźwiękowe środki kontrastowe i dostarczające leki. Mikropęcherzyki mogą być wytwarzane przez przetwarzanie środków powierzchniowo czynnych za pomocą sonikacji, mieszania mechanicznego, urządzeń mikroprzepływowych lub homogenizacji. Ostatnio mikropęcherzyki tlenu na bazie lipidów (LOM) zostały zaprojektowane do dożylnego dostarczania tlenu w nagłych wypadkach medycznych, odwracając zagrażającą życiu hipoksemię i zapobiegając późniejszemu uszkodzeniu narządów, zatrzymaniu akcji serca i śmierci. Przedstawiono metody zwiększania skali produkcji wysoko natlenionych mikropęcherzyków z wykorzystaniem homogenizatora szybkotnącego w pętli zamkniętej. W wyniku tego procesu można wyprodukować 2 litry skoncentrowanych LOM (90% objętości) w ciągu 90 minut. Otrzymane pęcherzyki mają średnią średnicę ~2 μm i profil reologiczny zgodny z profilem krwi po rozcieńczeniu do 60% objętości. Technika ta wytwarza LOM o dużej pojemności i wysokiej czystości tlenu, co sugeruje, że technika ta może być przydatna w laboratoriach badawczych zajmujących się badaniami translacyjnymi.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mikropęcherzyki złożone z białek, polimerów i lipidów zostały opracowane jako wektory do dostarczania leków, terapii genowej i ultradźwiękowych środków kontrastowych1-5. Ponieważ te zastosowania terapeutyczne wymagają wewnątrznaczyniowego utrzymywania się mikropęcherzyków, takie mikropęcherzyki są zwykle wypełnione obojętnymi gazami o dużej masie cząsteczkowej, takimi jak perfluorowęglowodory6, które mają niską rozpuszczalność we krwi i stabilizują pęcherzyk3,4.

Ostatnio, mikropęcherzyki tlenu na bazie lipidów (LOM) zostały zaprojektowane tak, aby dostarczać terapeutyczne dawki tlenu, które mogą zachować dostarczanie tlenu przez narządy końcowe i zapobiec niestabilności hemodynamicznej w okresach niedrożności dróg oddechowych lub hipoksemii7. Emulsje przeznaczone do dożylnego podawania gazów wymagają innych cech konstrukcyjnych niż te stosowane do ultrasonograficznych środków kontrastowych lub celowanego podawania leków. Po pierwsze, ponieważ organizm zużywa duże ilości tlenu gazowego (~200 ml/min), LOM muszą być produkowane i wstrzykiwane na dużą skalę. Wymaga to, aby proces produkcyjny był wydajny. Po drugie, proces produkcyjny powinien odbywać się w obiegu zamkniętym, aby uniknąć zanieczyszczenia azotem poprzez wystawienie LOM (które powinny być wypełnione 100% tlenem) na działanie otaczającego powietrza. Po trzecie, ponieważ celem LOM jest dożylne dostarczanie gazu, frakcja gazowa LOM powinna być zmaksymalizowana, biorąc pod uwagę ograniczenia narzucone przez lepkość emulsji7. Wreszcie, podobnie jak w przypadku każdego wstrzykiwania dożylnego, precyzyjna kontrola rozkładu wielkości cząstek jest niezbędna do uniknięcia niedrożności mikronaczyniowej8.

Istnieje kilka sprawdzonych metod produkcji mikropęcherzyków. Sonikacja wykorzystuje ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości stosowane do granicy faz powietrze-płyn emulsji, która zawiera środek powierzchniowo czynny, taki jak amfipatyczny fosfolipid, w obecności przestrzeni gazowej w celu wytworzenia mikropęcherzyków7,9. Proces ten można kontrolować poprzez zmianę częstotliwości ultradźwięków, mocy i czasu trwania impulsu, a uzyskany rozkład wielkości można dostosować do produkcji mikropęcherzyków o określonym rozkładzie wielkości, chociaż sonikacja jest rzadko stosowana w produkcji mikropęcherzyków stosowanych klinicznie. Amalgamacja to intensywne mechaniczne mieszanie środka powierzchniowo czynnego i gazu w układzie zamkniętym, który jest również trudny do skalowania w celu dostosowania do dużych objętości2. Mikrofluidyka oparta na kropelkach umożliwia precyzyjną kontrolę rozkładu wielkości mikropęcherzyków10-13. Chociaż tradycyjnie trudno jest zwiększyć skalę, opisano wielokanałowe, szybkie mikroprzepływy, które zwiększają wydajność produkcji mikropęcherzyków13. Mikropęcherzyki wytwarzane przy użyciu którejkolwiek z tych metod mogą wymagać procesów rozdrabniania po produkcji, takich jak frakcjonowanie odśrodkowe14,15 i flotacja mikropęcherzyków16,17.

Inną sprawdzoną metodą wytwarzania wysoce stabilnych mikropęcherzyków jest homogenizacjaścinająca 6, która może skutkować stabilizującym sześciokątnym wzorem fosfolipidowym na powierzchni mikropęcherzyków18. Opierając się na tej koncepcji, opisujemy zastosowanie homogenizatora wysokotnącego w linii w celu stworzenia samoorganizujących się LOM19. W tym procesie homogenizator wykorzystuje szybko obracające się ostrza w bliskiej odległości od sit emultora o drobnych oczkach, tworząc wysokie mechaniczne i hydrauliczne ścinanie w celu tworzenia mikropęcherzyków. Seryjne zagęszczanie emulsji lipidowej przez ten system daje coraz bardziej skoncentrowaną frakcję gazową, która może być jeszcze bardziej zagęszczona przez wirowanie.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Konfiguracja systemu

System składa się ze zbiornika zatrzymującego i zagęszczającego (HCT) wyposażonego w jednostopniowy mieszalnik, wbudowanego homogenizatora wysokiego ścinania, pompy rolkowej do przemieszczania płynu między HCT a homogenizatorem oraz wymiennika ciepła (Rysunek 1).

  1. Umieść wysterylizowane szklane naczynie o pojemności 4 litrów z szerokim otworem, wyposażone w 2 porty podstawowe i 3 porty boczne, pod jednostopniowym mikserem. Opuść głowicę mieszalnika do wylotu naczynia i upewnij się, że jest gazoszczelne za pomocą gumowych uszczelek lub taśmy (aby zapobiec zanieczyszczeniu przestrzeni nad wodą z otoczenia).
  2. Zamontuj jeden z portów bazowych (Rysunek 1, port #1) HCT za pomocą sterylnej przezroczystej rurki 3/8" (ID) o długości około 10 cali, wyposażonej w 3-kierunkowy kran na końcówce do zbierania skoncentrowanej emulsji.
  3. Zamontuj drugi port podstawy (Rysunek 1, port #2) za pomocą sterylnej rurki 3/8" (ID) o długości około 36". Przeprowadź tę rurkę przez pompę rolkową. Zamontuj wlot homogenizatora o wysokim ścinaniu za pomocą trójnika z dwoma portami i podłącz w następujący sposób: podłącz rurkę z portu #2 przez pompę rolkową i podłącz do bocznego portu trójnika. Podłącz drugi port do butli z tlenem za pomocą przepływomierza tlenu gazowego o niskim przepływie.
  4. Podłączyć port wylotowy homogenizatora szybkotnącego do portu wlotowego liniowego wymiennika ciepła utrzymywanego w temperaturze 4 °C. Podłącz port wylotowy wymiennika ciepła do portu powrotnego HCT (Rysunek 1, port #3), tworząc system zamkniętej pętli.
  5. Podłącz butlę tlenu (za pomocą przepływomierza) do HCT (Rysunek 1, port #4). Podłącz monitor składu gazu, który jest otwarty na atmosferę, do górnego portu HCT (Rysunek 1, port #5).
  6. Jeśli pożądana jest sterylność, wysterylizuj elementy szklane i metalowe przed każdym użyciem w autoklawie. Przed każdym użyciem wysterylizuj elementy przewodów i plastikowe złączki tlenkiem etylenu. Jest to szczególnie ważne, jeśli produkt ma być badany in vivo.

2. Produkcja LOM

  1. Umieścić 20 g GMP 1,2-distearoilo-sn-glycero-3-fosfocholiny (DSPC) i 10 g cholesterolu w podstawie HCT. Dodać 1 l Plasma-Lyte A do HCT i mieszać ręcznie przez 1 minutę, wprowadzając jak najwięcej lipidów do fazy wodnej.
  2. Opuść mieszalnik jednostopniowy do fazy wodnej, upewniając się, że cała głowica mieszalnika jest pokryta fazą wodną. Upewnij się, że górna część HCT jest gazoszczelna (patrz krok 1.1 powyżej) i że nie ma otwartych portów bocznych. Włącz źródło gazu podłączone do portu #4 i poczekaj, aż frakcja tlenu w przestrzeni HCT osiągnie >95%. Przy 10 l/min (l/min) powinno to zająć ~10 min.
  3. Za pomocą mieszalnika jednostopniowego mieszać emulsję prekursora przez 5 minut z prędkością 5 000 obr./min. Powstała mieszanina powinna wydawać się bladobiała i nie zawierać widocznych grudek lipidowych. Po wymieszaniu, niewykorzystana mieszanina lipidowo-wodna może być przechowywana w temperaturze 4 ºC do 30 dni przed jednorazowym użyciem.
  4. Cały układ w pętli zamkniętej zalać emulsją prekursorową, włączając pompę rolkową przy natężeniu 1,3 l/min. Po zalaniu układu utrzymuj pompę włączoną na poziomie 1.3 l/min.
  5. Aby rozpocząć produkcję LOM, należy włączyć homogenizator szybkotnący w linii do 7 500 obr./min. Natychmiast po tym należy włączyć dopływ tlenu do części wlotowej homogenizatora o natężeniu 0,5 l/min. Utrzymuj jednostopniowy mikser (w HCT) włączony przy 3,500 obr./min. LOM powstają na styku łopat wirnika i sit emulsora w homogenizatorze liniowym (rysunek 2). W ciągu kilku minut płyn powinien stać się widocznie bardziej lepki. Bardziej rygorystycznym podejściem jest określenie lepkości w funkcji czasu, co można zrobić, usuwając podwielokrotności z portu 1 podczas wytwarzania i analizując za pomocą lepkościomierza.
    Uwaga: Jeśli w przewodach wychodzących z mieszalnika znajdują się widoczne pęcherzyki powietrza, przepływ tlenu do homogenizatora liniowego jest zbyt duży. Zmniejszać przepływ gazu, aż płyn stanie się nieprzezroczysty i nie będzie zawierał widocznych pęcherzyków gazu.
  6. Uruchom system na 15 minut, a następnie wyłącz homogenizator szybkotnący i dopływ do niego tlenu. Kontynuuj uruchamianie jednostopniowego mieszalnika w HCT, aż emulsja zostanie usunięta; Łagodzi to separację faz i utrzymuje produkt w miarę jednorodny w HCT.
    Uwaga: Objętość emulsji wypełnionej gazem powinna wzrosnąć około 2-3 razy w fazie zagęszczania szeregowego. Jeśli tak się nie stanie, sprawdź, czy tlen przepływa do homogenizatora szybkotnącego i czy stężenia lipidów w emulsji prekursorowej są prawidłowe. Wydajność produkcji spada wraz ze spadkiem stężenia lipidów.

3. Gromadzenie, koncentracja, ocena i przechowywanie LOM-ów

  1. Podłącz sterylną, zmodyfikowaną strzykawkę typu luer-lock o pojemności 140 ml do kranu podłączonego do portu podstawowego #1 na naczyniu zbiorczym. Pobrać 100 ml płynu. Szczelnie zakręcić strzykawkę i powtarzać czynność tak długo, aż cały płyn zostanie usunięty.
    1. Zmodyfikować strzykawki, pobierając 100 ml powietrza do strzykawki, a następnie odpiłowując nadmiar tłoka i materiału strzykawki powyżej oznaczenia 140 ml. Napełniać i opróżniać strzykawki za pomocą kleszczyków zębatych w celu pobrania tłoka. Ta modyfikacja pozwala na łatwiejsze wirowanie.
  2. Odwirować strzykawki z zakorkowanym końcem skierowanym w dół w chłodzonym (4 ºC) wiaderku wirującym o stężeniu 225 x g przez 10 min.
  3. Po odwirowaniu pojawią się trzy warstwy materiału. Usunąć dolną warstwę nadmiaru mętnej fazy wodnej i wyrzucić. Druga warstwa jest jasnobiała i zawiera skoncentrowane LOM. Przenieść skoncentrowaną pianę do nieprzepuszczalnej dla gazu strzykawki za pomocą trójdrogowego kurka, aby zapobiec zanieczyszczeniu gazem w pomieszczeniu. Odrzuć ostatnią warstwę, która zawiera wolny tlen gazowy z pękniętych LOM.
  4. Jakość piany można ocenić poprzez osiągnięcie ≥90% gazu skoncentrowanej piany. Oblicz stężenie gazu w następujący sposób:
    Objętość % gazu = [(Waga piany/ Objętość piany)- 1] x 100
    1. W ramach drugiej kontroli jakości należy określić rozmiar mikropęcherzyków poprzez zaciemnienie światła, aby określić, czy wielkość cząstek mieści się w oczekiwanym zakresie. Należy zauważyć, że zmiana czasu homogenizacji lub receptury może zmienić wielkość pęcherzyków.
  5. Szczelnie zakryć szklaną strzykawkę ze złączką typu luer-lock. Skoncentrowane LOM można rozcieńczać Plasma-Lyte A w momencie użycia. Strzykawki mogą być przechowywane w temperaturze 22, 4 lub -20 ºC; Niższe temperatury mogą zapewnić większą stabilność okresu przydatności do spożycia7.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Homogenizacja o wysokim ścinaniu umożliwia wydajną (tj. w ciągu jednego popołudnia) produkcję wystarczającej ilości LOM do badania na zwierzętach i nie wymaga specjalistycznej wiedzy technicznej. Po osiągnięciu biegłości w tej metodzie, w ciągu 90 min można wytworzyć do 2 L skoncentrowanych LOM.

Rozmiar i morfologię mikropęcherzyków oceniono za pomocą mikroskopii świetlnej oraz metody przesłaniania światła. Podczas wizualizacji 10 μl próbki LOMs odnotowano obecność sferycznych LOMs, a...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Najważniejsze kroki do stworzenia skoncentrowanych, wysoce natlenionych LOM obejmują: 1) zapewnienie, że przestrzeń nad głową w HCT pozostaje w pełni natleniona; 2) zapewnienie, że czystość lipidowych substancji pomocniczych jest optymalna (w tym warunki przechowywania i stosowania produktów GMP); 3) upewnienie się, że sproszkowane lipidy całkowicie wymieszają się z fazą wodną przed zalaniem systemu; oraz 4) zwrócenie szczególnej uwagi na wzrost frakcji gazowej w HCT w celu zapewnienia, aby udział objętościowy gazu nie p...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Finansowanie: U.S. Army Medical Research & Materiel Command (USAMRMC) i zarządzane przez Centrum Badań nad Telemedycyną i Zaawansowanymi Technologiami. Shunxi Ji przyczynił się do modyfikacji strzykawek zgodnie z opisem tutaj.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
1,2-distearoilo-sn-glicero-3-fosfocholina (DSPC)Avanti Polar Lipids770365Produkt alternatywny: nie-GMP z Ameryki Północnej (Coatsome MC-8080)
CholesterolSigma AldrichC75209
Plasma-Lyte AVWR80089-818Alternatywnie można użyć
naczynia zbiorczegoSpecialty Glass, Inc.Kontakt niestandardowy: Pam Zurbrick - 281-595-2210
Monitor składu gazów (tlenu)PrecyzyjnyPM5900L
medyczny Pompa rolkowa Sarns 8000Calicut Medical16407Część modułowego systemu perfuzyjnego
Wymiennik ciepła BIOtherm LaboratoryjnyMedtronicECMOtherm-II
VersoSilverson Machines, IncTH-IL-102-VERSOUżyj wielostopniowych głowic roboczych i przedłużenia front-end z
trójnikiem trójnika do portu wlotowego Silverson VersoInnowacjeprocesowe Kontakt niestandardowy: Brian Leavitt - 508-423-2266
Mikser laboratoryjny L5M-ASilverson Machines, IncNC0136483Użyj sitka emulsora siatkowego (drobnego)
Kleszcze zębate Rochester-OchsnerFisher Scientific13-812-18
Strzykawka 140 mlKendall Healthcare Monoject8881114030Upewnij się, że jest blokada luer.
IX71 Mikroskop światła odwróconegoOlympusIX71
Kamera mikroskopowa Retiga-2000RQImagingRET-2000R-F-M-12
Accusizer 780A AutodilutionPSS-NICOMP Systemy wymiarowania cząstekPoza produkcją
NaCl Glass mieszalnik liniowy

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Mikrop cherzyki tlenu na bazie lipid wprocentowa obj to tlenurozk ad wielko ci cz stekpomiar st enia gazuanaliza lepko ci emulsjisystem zamkni tyzag szczanie przez wirowanietechnologia rozpraszania wiat a

Powiązane artykuły