Производство концентрированных, на основе липидов Oxygen микропузырька эмульсий с высокой скоростью сдвига гомогенизации и последовательной концентрации
Summary
Мы описываем методы изготовления больших объемов на основе липидов кислорода микропузырьков (Loms), предназначенных для внутривенного введения кислорода с помощью гомогенизации с высокой степенью сдвига и серийный концентрацию.
Abstract
Газонаполненные микропузырьки были разработаны в качестве ультразвукового контраста и агентов доставки лекарств. Микропузырьки можно получить путем обработки поверхностно-активных веществ с помощью обработки ультразвуком, механическое перемешивание микрожидкостных устройств, или гомогенизации. В последнее время на основе липидов кислорода микропузырьков (Loms) были разработаны, чтобы доставить кислород внутривенно во время скорой медицинской помощи, обращая угрожающие жизни гипоксемии, и предотвращения последующего повреждения органов, остановка сердца и смерть. Мы представляем методы расширения масштабов до производства высоко кислородом микропузырьков с помощью обратной связью гомогенизатора высокого сдвига. Этот процесс может производить 2 л концентрированного модулей LOM (90% по объему) в течение 90 мин. Полученные пузырьки имеют средний диаметр ~ 2 мкм и реологического профиля в соответствии с что крови при разведении до 60% по объему. Эта техника производит Loms в высоком качестве и с высокой чистотой кислорода, предполагая, что этот метод может быть полезен для трансляционных исследовательских лабораторий.
Introduction
Микропузырьки, состоящие из белка, полимера и липидных оболочек были разработаны в качестве векторов для доставки лекарств, генной терапии и ультразвуковых контрастных средств 1-5. Поскольку эти терапевтические применения требуют внутрисосудистого микропузырьков настойчивость, такие микропузырьки обычно заполнены инертными, высокой молекулярной массой газов, таких как перфторуглеродов 6, которые имеют низкую растворимость в крови и стабилизации пузырьков 3,4.
В последнее время на основе липидов кислорода микропузырьков (Loms) были разработаны для доставки терапевтических доз кислорода, которые могут сохранить органов-мишеней доставку кислорода и предотвращения нестабильность гемодинамики в периоды обструкции дыхательных путей или гипоксемии 7. Эмульсии, предназначенные для внутривенного введения газа требуют различных конструктивных особенностей, чем те, которые используются для ультразвуковых контрастных агентов или целевой доставки лекарств. Во-первых, потому что тело потребляет большие объемы газообразного кислорода (~ 200 мл / мин), Loms должно быть произведено ивводили в больших масштабах. Это требует, чтобы производственный процесс быть эффективным. Во-вторых, производственный процесс должен быть замкнутым контуром для того, чтобы избежать загрязнения азота через воздействии модулей LOM (которая должна быть заполнена с 100% кислорода) в окружающий воздух. В-третьих, потому что цель модулей LOM является внутривенное подачи газа, газ доля модулей LOM должен быть максимальным, признавая ограничения, налагаемые эмульсии вязкости 7. Наконец, как и в любом внутривенных инъекций, точный контроль над распределением частиц по размерам имеет важное значение для предотвращения микрососудистых обструкции 8.
Есть несколько установленные методы для производства микропузырьков. Обработка ультразвуком высокой интенсивности использует, низкочастотный ультразвук применяется к поверхности раздела воздух-жидкость эмульсии, которая включает поверхностно-активное вещество, такое как амфипатического фосфолипида в присутствии газа свободного пространства для производства микропузырьков 7,9. Этот процесс является управляемым путем изменения ультрачастота звука, мощность и длительность импульса, и в результате распределения по размерам может быть адаптировано для получения микропузырьков определенного распределения по размерам, хотя ультразвуком редко используется в производстве клинически используемых микропузырьков. Объединение является интенсивным механическое перемешивание поверхностно-активного вещества и газа в замкнутой системе, что также трудно расширить для размещения больших объемов 2. Капелька основе микрофлюидики позволяет точно контролировать распределение по размерам микропузырьков 10-13. Хотя традиционно трудно расширить, многоканальный, высокоскоростные микрофлюидики были описаны, которые увеличивают микропузырьков эффективности производства 13. Микропузырьки изготовлены с использованием любого из этих методов может потребовать пост-производство процессы сокращения размера, такие как центробежной фракционирования 14,15 и микропузырьков флотации 16,17.
Другой метод создан для изготовления высокостабильных микропузырьков является сдвиг homogenizAtion 6, что может привести к стабилизирующим гексагональной фосфолипидов рисунка на микропузырьков поверхности 18. Основываясь на этой концепции, мы описываем включение гомогенизатор в линии с высокой скоростью сдвига для создания самосборки Loms 19. В этом процессе, гомогенизатор утилизирует быстро вращающихся лопастей в непосредственной близости от двойных тонких экранов сетки emulsor, создавая высокую механическую и Гидравлические ножницы для создания микропузырьков. Серийный концентрация липидной эмульсии с помощью этой системы дает более концентрированный газообразной фракции, который может быть еще больше сконцентрированы центрифугированием.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наиболее важные шаги к созданию концентрированные, высоко окисленные Loms включают в себя: 1) обеспечение того, чтобы свободное пространство в НСТ остается полностью кислородом; 2) обеспечение того, чтобы чистота липидных наполнителей является оптимальным (в том числе условий хранения и ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Финансирование: Армия США медицинских исследований и Materiel Command (USAMRMC) и управляется телемедицины и передовых технологий исследовательского центра. Shunxi Джи способствовали модификацию шприцев, как описано здесь.
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 |
References
- Lentacker, I., De Smedt, S. C., Sanders, N. N. Drug loaded microbubble design for ultrasound triggered delivery. Soft Matter. 5 (11), 2161-2170 (2009).
- Ren, J. L., et al. A Novel Ultrasound Microbubble Carrying Gene and Tat Peptide: Preparation and Characterization. Academic Radiology. 16 (12), 1457-1465 (2009).
- Tinkov, S., et al. Microbubbles as Ultrasound Triggered Drug Carriers. Journal of Pharmaceutical Sciences. 98 (6), 1935-1961 (2009).
- Hernot, S., Klibanov, A. L. Microbubbles in ultrasound-triggered drug and gene delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 60 (10), 1153-1166 (2008).
- Lanza, G. M., et al. A novel site-targeted ultrasonic contrast agent with broad biomedical application. Circulation. 94 (12), 3334-3340 (1996).
- Cavalli, R., et al. Preparation and characterization of dextran nanobubbles for oxygen delivery. International Journal of Pharmaceutics. 381 (2), 160-165 (2009).
- Kheir, J. N., et al. Oxygen Gas-Filled Microparticles Provide Intravenous Oxygen Delivery. Science Translational Medicine. 4 (140), (2012).
- 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).
- 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).
- Seo, M., et al. Microfluidic Assembly of Monodisperse, Nanoparticle-Incorporated Perfluorocarbon Microbubbles for Medical Imaging and Therapy. Langmuir. 26 (17), 13855-13860 (2010).
- Wan, J. D., Stone, H. A. Coated Gas Bubbles for the Continuous Synthesis of Hollow Inorganic Particles. Langmuir. 28 (1), 37-41 (2012).
- Duncanson, W. J., et al. Monodisperse Gas-Filled Microparticles from Reactions in Double Emulsions. Langmuir. 28 (17), 6742-6745 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Swanson, E. J., et al. Phospholipid-Stabilized Microbubble Foam for Injectable Oxygen Delivery. Langmuir. 26 (20), 15726-15729 (2010).
- Kvåle, S., et al. Size fractionation of gas-filled microspheres by flotation. Separations Technology. 6 (4), 219-226 (1996).
- Dressaire, E., et al. Interfacial polygonal nanopatterning of stable microbubbles. Science. 320 (5880), 1198-1201 (2008).
- Kheir, J. N., et al. Bulk Manufacture of Concentrated Oxygen Gas-Filled Microparticles for Intravenous Oxygen Delivery. Advanced Healthcare Materials. , (2013).
