Fabricação de concentrado, oxigênio à base de microbolhas Lipid Emulsões pelo Alto cisalhamento homogeneização e Concentração de série

Resumo

Nós descrevem métodos para o fabrico de grandes volumes de microbolhas de oxigénio à base de lípidos (LOMs) concebidas para o fornecimento de oxigénio intravenosa usando homogeneização de alto cisalhamento e de concentração em série.

Resumo

Microbolhas cheias de gás têm sido desenvolvidos como agentes de contraste de ultra-sons e de entrega de drogas. As microbolhas pode ser produzido através da transformação de surfactantes usando sonicação, agitação mecânica, dispositivos de microfluidos, ou homogeneização. Recentemente, microbolhas de oxigênio à base de lipídios (LOMs) foram projetados para fornecer oxigênio por via intravenosa durante emergências médicas, revertendo hipoxemia risco de vida, prevenção de lesões e posterior do órgão, parada cardíaca e morte. Nós apresentamos métodos para produção em escala-up de microbolhas altamente oxigenados usando um circuito fechado de alto cisalhamento homogeneizador. O processo pode produzir 2 L de LOM concentradas (90% em volume), em 90 min. Bolhas resultantes têm um diâmetro médio de cerca de 2 um, e um perfil reológico consistente com o do sangue, quando diluído para 60% em volume. Esta técnica produz LOM em alta capacidade e com uma pureza elevada de oxigénio, o que sugere que esta técnica pode ser útil para laboratórios de pesquisa translacional.

Introdução

As microbolhas compostas de proteína, de polímero, e os reservatórios de lípidos têm sido desenvolvidos como vectores para a entrega da droga, a terapia génica, e os agentes de contraste de ultra-sons ^1-5. Porque esses usos terapêuticos exigem persistência microbolhas intravascular, tais microbolhas são comumente cheio de inertes, altos gases peso molecular, tais como perfluorcarbonos ^6, que possuem baixa solubilidade no sangue e estabilizar a ^3,4 bolha.

Recentemente, microbolhas de oxigênio à base de lipídios (LOMs) foram projetados para fornecer as doses terapêuticas de oxigênio, que podem preservar a oferta de oxigênio de órgãos-alvo e evitar instabilidade hemodinâmica durante os períodos de obstrução das vias aéreas ou hipoxemia ^7. Emulsões projetados para entrega de gás intravenosa requerem diferentes características de design do que os utilizados para os agentes de contraste de ultra-som ou entrega de drogas específicas. Primeiro, porque o corpo consome grandes volumes de gás de oxigénio (~ 200 ml / min), de LOM deve ser produzido einjectado em larga escala. Isto requer que o processo de fabrico seja eficaz. Em segundo lugar, o processo de fabrico deve ser de circuito fechado, a fim de evitar a contaminação de azoto através da exposição de LOM (que deve ser preenchido com 100% de oxigénio) para o ar ambiente. Em terceiro lugar, porque a finalidade da LOM é a entrega de gás por via intravenosa, a fração de gás de LOMs deve ser maximizado, reconhecendo as limitações impostas pela emulsão viscosidade ^7. Finalmente, como com qualquer injectável intravenosa, o controlo preciso sobre a distribuição de tamanho de partícula é essencial para evitar a obstrução microvascular ^8.

Existem vários métodos estabelecidos para o fabrico de micro-bolhas. A sonicação utiliza alta intensidade, o ultra-som de baixa frequência aplicada para a interface ar-fluido de uma emulsão que compreende um surfactante, tal como um fosfolípido anfipática, na presença de uma câmara de expansão de gás para produzir microbolhas ^7,9. Este processo pode ser controlado por variação de ultrafrequência de som, energia e duração do impulso, e a distribuição de tamanho resultante pode ser adaptada para a produção de microbolhas com uma distribuição de tamanho específico, embora sonicação é raramente utilizado no fabrico de microbolhas clinicamente utilizadas. Fusão é a intensa agitação mecânica de um surfactante e gás num sistema fechado, o que também é difícil escalar para acomodar grandes volumes de ^2. Microfluídica baseada em gota permite o controle preciso da distribuição de tamanho de microbolhas ^10-13. Embora tradicionalmente difícil de escalar, multi-canal, microfluídica de alta velocidade foram descritos o que aumenta a eficiência da produção de microbolhas ^13. Microbolhas fabricados usando qualquer um destes métodos pode exigir processos de redução de tamanho de pós-fabricação, tais como fracionamento centrífuga ^14,15 e microbolhas flutuação ^16,17.

Outro método estabelecido para a produção de microbolhas é altamente estáveis ​​homogeniz cisalhamentoção ^6, o que pode resultar num padrão hexagonal fosfolípido estabilizador sobre a superfície da microbolha ^18. Com base neste conceito, descrevemos a incorporação de um homogeneizador de alto cisalhamento in-line para criar auto-montagem LOMs ^19. Neste processo, o homogeneizador utiliza lâminas de rotação rápida, em estreita proximidade com as telas de malha dupla Emulsor finas, criando alto cisalhamento mecânico e hidráulico para a criação de microbolhas. Concentração de série da emulsão lipídica, por meio deste sistema produz uma fracção de gás cada vez mais concentrada, o que pode ser ainda mais concentrado por centrifugação.

Protocolo

1. System Set-up

O sistema consiste de um tanque de retenção e a concentração (HCT), equipado com um misturador único estágio, um homogeneizador de cisalhamento elevado, em linha, uma bomba de rolo para deslocar o fluido entre o HCT e o homogeneizador, e um permutador de calor (Figura 1).

1. Coloque uma esterilizado de boca larga 4 L embarcação, coleta de vidro equipado com 2 portas de base e 3 portas laterais abaixo do único misturador palco. Abaixe a cabeça misturadora para a boca do navio e garantir um encaixe à prova de gás utilizando vedações de borracha ou fita (a fim de evitar que o ar ambiente de contaminar o espaço cabeça).
2. Coloque uma das portas de base (Figura 1, a porta # 1) do HCT com estéril 3/8 "(ID) tubulação clara, aproximadamente 10" de comprimento, equipado com uma torneira de 3 vias na ponta para a coleta da emulsão concentrada .
3. Coloque a segunda porta de base (Figura 1, a porta # 2) com estéril 3/8 "(ID) tubulação, approximately 36 "de comprimento. Alimente esta tubulação através de uma bomba de roletes. Coloque a entrada do homogeneizador de alto cisalhamento com uma peça em T, incluindo duas portas e ligar da seguinte forma: conectar a tubulação da porta n º 2, por meio da bomba de roletes e conectar à porta lateral do T-peça. Prenda a outra porta para um tanque de oxigênio usando um baixo fluxo de medidor de vazão de gás oxigênio.
4. Ligue o orifício de saída do homogeneizador de cisalhamento elevado à porta de entrada de um permutador de calor em linha, mantida a 4 ° C. Ligue o orifício de saída do permutador de calor para o canal de retorno do HCT (Figura 1, a porta # 3), a criação de um sistema de circuito fechado.
5. Anexar um tanque de oxigênio (através de um medidor de fluxo) para o HCT (Figura 1, a porta # 4). Anexar um monitor de composição do gás que está aberto para a atmosfera para o topo da porta do HCT (Figura 1, a porta n º 5).
6. Se for desejada a esterilidade, esterilizar os componentes de vidro e de metal, antes de cada uso por autoclavagem. Esterilizar os componentes de tubulação e co plásticonnectors por óxido de etileno, antes de cada utilização. Isto é especialmente importante se o produto é para ser testado in vivo.

2. LOM Fabricação

1. Colocar 20 g de 1,2-GMP distearoil-sn-glicero-3-fosfocolina (DSPC) e 10 g de colesterol na base da HCT. Adicionar 1 L de Plasma-Lyte A a o HCT e agitar mão durante 1 min, integrando tanto lipídica como possível para a fase aquosa.
2. Diminuir o misturador único estágio para a fase aquosa, assegurando que toda a cabeça do misturador é coberto pela fase aquosa. Certifique-se de que o topo do HCT é o gás apertado (ver passo 1.1 acima), e que não há portas laterais abertas. Ligue a fonte de gás conectado à porta # 4 e esperar até que a fração de oxigênio do headspace HCT atinge> 95%. Aos 10 L / min (LPM), este deve tomar ~ 10 min.
3. Utilizando o misturador único estágio, misturar a emulsão precursora durante 5 min a 5000 rpm. A mistura resultante deve aparecer pálida e não contêm lipi visíveld aglomerados. Uma vez misturado, mistura lipídica de água não utilizada pode ser armazenado a 4 º C por até 30 dias antes da utilização única.
4. Primeiro o sistema de circuito fechado de todo com a emulsão precursor ligando a bomba de roletes em 1,3 LPM. Uma vez que o sistema está preparado, mantenha a bomba em 1,3 LPM.
5. Para começar a fabricação dos LOMs, ligue o homogeneizador de alto cisalhamento em linha de 7.500 rpm. Imediatamente depois, ligar o fluxo de oxigênio para o troço de entrada do homogeneizador de 0,5 LPM. Manter a batedeira fase única (no HCT) sobre a 3.500 rpm. LOM são formadas na interface das lâminas do rotor e as telas Emulsor dentro do homogeneizador em linha (Figura 2). Dentro de minutos, o líquido deve tornar-se visivelmente mais viscoso. Uma abordagem mais rigorosa é a determinação da viscosidade em função do tempo, o que pode ser feito através da remoção de alíquotas a partir de uma porta, durante a fabricação e analisando com um viscosímetro.
   Nota: Se as bolhas de ar visíveis estão presentes na tubagem de saída do misturador, oxigéniofluir para o homogeneizador em linha é demasiado elevada. Titular baixo fluxo de gás até que o fluido é opaco e não contém bolhas de gás visíveis.
6. Execute o sistema por 15 min, em seguida, desligue o homogeneizador de alto cisalhamento ea entrada de oxigênio para ele. Continuar a rodar o misturador único estágio no HCT até a emulsão é removido; isto reduz a separação de fases e mantém o produto relativamente uniforme no interior da HCT.
   Nota: O volume da emulsão cheia de gás deve aumentar de cerca de 2 a 3 vezes durante a fase de concentração de série. Se isso não ocorrer, verifique se o oxigênio está fluindo para o homogeneizador de alto cisalhamento e que as concentrações de lipídios na emulsão precursor estão corretos. A eficiência de produção diminui à medida que diminui a concentração de lípidos.

3. Cobrança, a concentração, Avaliação e armazenamento de LOMs

1. Anexar uma estéril, modificado 140 ml seringa luer-lock para a torneira ligada a porta base N º 1 na embarcação coleção. Elaborar 100 ml de fluido. Tapar bem seringa e repetir até que todo o fluido foi removido.
   1. Modificar seringas retirando 100 ml de ar na seringa e, em seguida, o excesso de serrar o êmbolo e o material da seringa acima da marca de 140 ml. Preencha e seringas vazias, usando uma pinça dentada para elaborar o êmbolo. Esta modificação facilita a centrifugação.
2. Seringas de centrífuga com a extremidade tampada orientada para baixo num frigorífico (4 ° C) balde centrifugar a 225 xg durante 10 min.
3. Três camadas de material aparece após centrifugação. Expulse a camada inferior do excesso de fase aquosa nublado e descarte. A segunda camada é branco brilhante e contém LOMs concentrados. Transferir espuma concentrada para uma seringa impermeável aos gases utilizando uma torneira de três vias para evitar uma contaminação de gás ambiente. Descarte a camada final, que contém gás oxigênio livre de LOMs rompidos.
4. A qualidade da espuma pode ser avaliada pela atingindo ≥ 90% de gás de espuma concentrada. CalculComeram a concentração de gás como se segue:
   Volume de gás% = [(peso da espuma / volume de espuma) - 1] x 100
   1. Como um controlo de qualidade segundo, microbolhas de tamanho por obscurecimento de luz para determinar se o tamanho das partículas está dentro do intervalo esperado. Deve notar-se que uma alteração no tempo de homogeneização ou formulação pode alterar o tamanho da bolha.
5. Tapar bem a seringa de vidro com um encaixe luer. LOM concentradas podem ser diluídas com Plasma-Lyte A a o tempo de utilização. As seringas podem ser armazenadas a 22, 4, ou -20 º C; temperaturas mais baixas podem proporcionar maior estabilidade vida de prateleira ^7.

Resultados

Homogeneização de alto cisalhamento permite a produção eficiente (ou seja, dentro de uma tarde) de LOMs suficientes para um estudo animal e não requer conhecimento técnico. Uma vez proficiente, até 2 L de LOM concentradas podem ser fabricados em 90 min.

Tamanhos de microbolhas e morfologia foi analisada por microscopia de luz e pelo obscurecimento. Quando uma amostra de 10 ul da LOM foi visualizado, LOM esféricas, foram observadas, bem como uma relativa escassez de detritos de lípid...

Discussão

Os passos mais importantes para a criação de concentrados, LOMs altamente oxigenados incluem: 1) assegurar que o espaço livre dentro do HCT permanece totalmente oxigenado; 2) garantia de que a pureza dos excipientes de lipídios é o ideal (incluindo as condições de armazenamento e uso de produtos de BPF); 3) assegurar que os lípidos em pó misturar completamente com a fase aquosa antes de escorvamento do sistema; e 4) prestando atenção para o aumento da fração de gás dentro do HCT para garantir que a fração de volume de g...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
1,2-distearoil-sn-glicero-3-fosfocolina (DSPC)	Avanti Polar Lipids	770365	Produto alternativo: não-GMP da NOF America (Coatsome MC-8080)
Colesterol	Sigma	Aldrich C75209
Plasma-Lyte A	VWR	80089-818	Alternativamente, pode usar o
vaso de coleta de vidro	Specialty Glass, Inc.	personalizado	: Pam Zurbrick - 281-595-2210
Monitor de composição de gás (oxigênio)	Precision Medical	PM5900L
bomba de rolos Sarns 8000	Calicut Medical	16407	Parte de um sistema de perfusão modular
Trocador de calor BIOtherm	Medtronic	ECMOtherm-II
Verso misturador em linha de laboratório	Silverson Machines, Inc	TH-IL-102-VERSO	Use cabeças de trabalho de vários estágios e extensão frontal com peça em T
peça em T para porta de entrada Silverson Verso	Inovações de Processo Contato	Personalizado	: Brian Leavitt - 508-423-2266
Misturador de laboratório L5M-A	Silverson Machines, Inc	NC0136483	Use tela de emulsor de malha (fina)
Pinça dentada Rochester-Ochsner	Seringa Fisher Scientific	13-812-18
de 140 ml	Kendall Healthcare Monoject	8881114030	Certifique-se de que haja uma trava luer.
IX71 Microscópio de luz invertida	Olympus	IX71
Retiga-2000R microscópio câmera	QImaging	RET-2000R-F-M-12
Accusizer 780A Autodiluição	PSS-NICOMP Sistemas	de dimensionamento de partículas Fora de produção