Измерение силы между каплями эмульсии в режиме реального времени во время ферментативного пробоя
27 июня 2025 г.
В этом протоколе используется оптический пинцет с двумя ловушками для измерения межкапельных сил в режиме реального времени во время ферментативного расщепления эмульсий. Он облегчает изучение стабильности эмульсии и динамики капель с применением в пищевой промышленности и фармацевтике.
Мы использовали оптический пинцет для измерения сил в реальном времени между отдельными каплями эмульсии во время ферментного разложения, чтобы понять стабильность в процессе разложения. Во время эксперимента с оптическим пинцетом процесс пищеварения непрерывен. Оптимальную концентрацию ферментов определить сложно, и если мы не сможем вовремя захватить капли, нам придется перезапускать пищеварение заново. Наклон и максимальная сила между отдельными каплями действительно связаны с типом масла, временем разложения и типом фермента. Появляется для пищеварения с протеазой, масляный тип не влияет на процесс пищеварения. Возможно, это эксперимент, в котором используется как спектроскопический, так и силовой мониторинг, чтобы увидеть связь между силой и изменениями химических структур.
[Рассказчик] Для начала подготовьте проточную ячейку для образца, а затем откройте оптический пинцет. Добавьте примерно 70 микролитров деионизированной воды в нижнюю линзу объектива и вставьте камеру с образцом в прибор до щелчка. Нанесите каплю погружного масла на верхнюю поверхность камеры для образцов. Затем с помощью ручки конденсатора осторожно опустите линзу конденсора до тех пор, пока она слегка не коснется верхней поверхности камеры для образца. Закройте оптический пинцет, чтобы завершить настройку перед активацией лазера. Теперь включите лазер и установите мощность на 100%. Отрегулируйте нижнюю ручку оптического пинцета по часовой стрелке, чтобы найти лазерное пятно, двигаясь снизу вверх. Трижды понаблюдайте за лазерными пятнами и установите Z-плоскость между вторым и третьим наборами. Затем уменьшите мощность лазера до 30%. Используйте джойстик для захвата двух капель одинакового размера в канале. Отрегулируйте расстояние между двумя каплями примерно до 10 микрометров. Зафиксируйте положения X и Y правой оптической ловушки и положение Y левой оптической ловушки, затем отметьте капли пурпурным и зеленым прямоугольниками соответственно. Теперь перейдите в меню калибровки и выберите «Измерить», чтобы начать калибровку. Если уровень шума чрезмерен, повторяйте измерение до тех пор, пока не станут видны удовлетворительные результаты. Выберите Применить, чтобы подтвердить калибровку. Затем очистите исходные данные с помощью соответствующего программного интерфейса и измерьте расстояние действия силы с помощью откалиброванной системы оптических ловушек. Наконец, добавьте в систему раствор трипсина. Отрегулируйте настройки так, чтобы измерять каждые 10 минут, начиная с 10 минут после добавления раствора трипсина, чтобы динамически контролировать эмульсии с помощью оптической системы пинцета. Эмульсии, содержащие рапсовое масло и сывороточный белок, а также молочный жир и сывороточный белок, анализировали с помощью оптического пинцета. Для эмульсий рапсового масла без трипсина пиковая сила взаимодействия увеличивалась с размером капель, достигая более 100 пиконьютонов на восьми микрометрах по сравнению с примерно 10 пиконьютонами на трех микрометрах. Аналогичная тенденция наблюдалась и в отношении капель эмульсии молочного жира. В обеих эмульсиях средняя пиковая сила взаимодействия увеличивалась с диаметром капли, демонстрируя примерно линейную зависимость. Капли диаметром пять микрометров имели наибольшее количество захватов среди всех размеров, что указывает на оптимальную эффективность улавливания, в то время как частоты захвата капель размером три микрометра и 10 микрометров были самыми низкими. После добавления трипсина в каплях эмульсии молочного жира наблюдалось постепенное снижение пиковой силы взаимодействия с 31,9 пиконьютонов через 10 минут до 6,6 пиконьютонов через 60 минут. В эмульсиях рапсового масла обработка трипсином привела к резкому снижению кривых расстояния сил, что позволяет предположить, что эффективность ферментативного действия выше в фазе жидкого масла.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании используются оптические пинцеты с двойной ловушкой для изучения межкапельных сил в режиме реального времени в процессе ферментативного переваривания эмульсий. Полученные результаты способствуют пониманию стабильности эмульсий и динамики капель, что имеет важное значение для пищевой промышленности и фармацевтики.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биофизика
- Пищевая наука
- Фармацевтика
Теоретические основы
- Понимание стабильности эмульсий в процессе ферментативного переваривания имеет решающее значение.
- Оптические пинцеты позволяют точно измерять силы взаимодействия между каплями.
- Концентрация фермента и динамика капель являются ключевыми факторами поведения эмульсии.
- Предыдущие исследования показали различное влияние типа масла на процессы переваривания.
Цель исследования
- Для измерения сил взаимодействия между каплями эмульсии в режиме реального времени в процессе ферментативного расщепления.
- Для изучения взаимосвязи между размером капель и силами взаимодействия.
- Для оценки влияния различных ферментов на стабильность эмульсии.
Используемые методы
- Подготовка проточной кюветы с образцом и установка оптического пинцета.
- Измерение сил между каплями с использованием калиброванных оптических ловушек.
- Динамический мониторинг эмульсий после добавления фермента.
- Анализ пиковых сил взаимодействия в зависимости от размера капель и типа фермента.
Основные результаты
- Пиковая сила взаимодействия увеличивалась с ростом размера капель как в эмульсиях рапсового масла, так и в эмульсиях молочного жира.
- Для эмульсий молочного жира наблюдалось значительное снижение пиковой силы после добавления трипсина.
- Оптимальная эффективность захвата наблюдалась для капель диаметром 5 µm.
- Обработка трипсином повлияла на кривые зависимости силы от расстояния, что указывает на вариации ферментативной эффективности.
Выводы
- Данное исследование позволяет лучше понять динамику стабильности эмульсии в процессе пищеварения.
- Измерения силы в режиме реального времени углубляют понимание взаимодействий между каплями.
- Полученные результаты могут быть применены в пищевой промышленности и при разработке фармацевтических препаратов.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Измерение силы взаимодействия между каплями эмульсии в режиме реального времени в процессе ферментативного распада обеспечивает прямой количественный подход к изучению стабильности эмульсии и взаимодействий между каплями в условиях, имитирующих пищеварение. Данная возможность имеет стратегическое значение для ранних этапов поиска и разработки лекарственных форм, позволяя снизить механистические риски и провести прогностическую оценку систем доставки лекарств на основе эмульсий. Метод способствует принятию решений по формированию портфеля препаратов за счет уточнения физического поведения эмульсий в ответ на воздействие ферментативной среды.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Позволяет проводить прямое измерение сил взаимодействия между каплями для выяснения механизмов стабильности эмульсии.
- Способствует снижению технических рисков за счет установления связи между динамикой сил и процессами ферментативного распада.
- Обеспечивает прогностическую уверенность при выборе составов эмульсий для дальнейшей разработки.
Скрининг и разработка методов анализа
- Обеспечивает получение количественных показателей силы для стандартизации анализов стабильности эмульсий.
- Позволяет проводить воспроизводимую оценку взаимодействия капель при использовании различных типов масел и ферментативной обработки.
- Поддерживает масштабируемость анализа за счет адаптации к различным системам эмульсий и ферментов.
Трансляционные и доклинические исследования
- Приводит физическое поведение эмульсии в соответствие с условиями, релевантными для процесса пищеварения, для обеспечения трансляционной непрерывности.
- Обосновывает риск-ориентированное развитие рецептур на основе эмульсий путем количественного определения кинетики распада.
- Способствует механистическому пониманию эффективности рецептур в физиологически релевантных средах.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод измерения силы интегрируется в процесс от первичного поиска до доклинических исследований, предоставляя количественные данные в режиме реального времени о стабильности эмульсии в условиях ферментативного воздействия.
- Фундаментальная биология: количественная оценка изменений силы для проверки гипотез о механизмах разрушения эмульсии.
- Скрининг: получение воспроизводимых, зависящих от размера измерений силы для стандартизации анализа.
- Аналитика: построение кривых зависимости силы от расстояния и определение значений пиковой силы для сравнительного анализа при различных условиях.
- Трансляционные исследования: сопоставление данных о силе, полученных in vitro, со сценариями пищеварения in vivo для оптимизации состава.
- Корпоративное использование: адаптивность к различным типам эмульсий и ферментным системам для широкого применения в области НИОКР.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозирования стабильности эмульсий и кинетики их распада.
- Операционная ценность: стандартизирует протоколы измерения силы для обеспечения воспроизводимости и масштабируемости.
- Стратегическая ценность: служит основой для принятия решений о целесообразности дальнейшей разработки кандидатов на системы доставки лекарств на основе эмульсий.
- Влияние на портфель: поддерживает приоритизацию составов с учетом рисков на основе количественных данных о стабильности.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы с оптическими пинцетами и калибровки силы.
- Необходим доступ к установке оптического пинцета с двойной ловушкой и совместимому аналитическому программному обеспечению.
- Требуется межкомандная стандартизация протоколов подготовки капель и концентрации ферментов.
- Метод может быть адаптирован к различным эмульсионным и ферментативным системам при условии соответствующей калибровки.
- Надежность сбора данных зависит от точного соблюдения времени и захвата капель.
