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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

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). 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…

Representative Results

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…

Discussion

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 zo…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DSPC)	Avanti Polar Lipids	770365	Alternate product: non-GMP from NOF America (Coatsome MC-8080)
Cholesterol	Sigma Aldrich	C75209
Plasma-Lyte A	VWR	80089-818	Alternatively can use NaCl
Glass collection vessel	Specialty Glass, Inc.	Custom	Contact: Pam Zurbrick – 281-595-2210
Gas composition (oxygen) monitor	Precision Medical	PM5900L
Sarns 8000 roller pump	Calicut Medical	16407	Part of a modular perfusion system
BIOtherm Heat Exchanger	Medtronic	ECMOtherm-II
Verso laboratory in-line mixer	Silverson Machines, Inc	TH-IL-102-VERSO	Use multistage workheads and front-end extension with T piece
T-piece for Silverson Verso inlet port	Process Innovations	Custom	Contact: Brian Leavitt – 508-423-2266
L5M-A laboratory mixer	Silverson Machines, Inc	NC0136483	Use mesh emulsor screen (fine)
Rochester-Ochsner toothed forceps	Fisher Scientific	13-812-18
140 mL syringe	Kendall Healthcare Monoject	8881114030	Ensure there is a luer lock.
IX71 Inverted light microscope	Olympus	IX71
Retiga-2000R microscope camera	QImaging	RET-2000R-F-M-12
Accusizer 780A Autodilution	PSS-NICOMP Particle Sizing Systems	Out of production