Vi beskriver metoder för tillverkning av stora volymer av lipidbaserade syremikrobubblor (LOM) avsedda för intravenös syreavgivning med hjälp av hög skjuvning homogenisering och seriell koncentration.
Gasfyllda mikrobubblor har utvecklats som ultraljuds kontrast och drogleveransmedel. Mikrobubblor kan framställas genom behandling av tensider med användning av sonikering, mekanisk agitation, mikrofluidikanordningar eller homogenisering. Nyligen har lipid-baserade syremikrobubblor (LOM) utformats för att leverera syre intravenöst under medicinska akutfall, vända livshotande hypoxemi, och förhindra efterföljande organskada, hjärtstillestånd och död. Vi presenterar metoder för att skala upp produktionen av högt syresatta mikrobubblor med en sluten slinga med hög skjuvning homogenisator. Processen kan producera 2 L av koncentrerade LOM (90 volym%) i 90 min. Resulte bubblor har en medeldiameter på ~ 2 ^ m, och en reologisk profil som överensstämmer med den i blodet vid utspädning till 60 volym%. Tekniken ger LOM i hög kapacitet och med hög syrerenhet, vilket tyder på att denna teknik kan vara användbar för translationforskningslaboratorier.
Mikrobubblor som består av protein, polymer, och lipid skal har utvecklats som vektorer för drogleverans, genterapi, och ultraljudkontrastmedel 1-5. Eftersom dessa terapeutiska användningar kräver intravaskulär mikrobubblor uthållighet är sådana mikrobubblor vanligtvis fylld med inerta, hög molekylvikt gaser som perfluorkarboner 6, som har låg löslighet i blod och stabilisera bubblan 3,4.
Nyligen har lipid-baserade syremikrobubblor (LOM) utformats för att ge terapeutiska doser av syre, vilket kan bevara slutorgansyrgastillförsel och förhindrar hemodynamisk instabilitet under perioder av luftvägsobstruktion eller hypoxemi 7. Emulsioner avsedda för intravenös gastillförsel kräver olika konstruktionsegenskaper än de som används för ultraljudkontrastmedel eller målstyrning av läkemedel. Först, eftersom kroppen förbrukar stora mängder syrgas (~ 200 ml / min), LOM måste produceras ochinjiceras i stor skala. Detta kräver att tillverkningsprocessen vara effektiv. För det andra bör tillverkningsprocessen vara sluten slinga i syfte att undvika kontaminering av kväve genom exponering av LOM (som bör vara fylld med 100% syre) för omgivande luft. För det tredje, eftersom syftet med LOM är intravenös gas leverans, gas bråkdel av LOM bör maximeras, erkänner de begränsningar som emulsionsviskositeten 7. Slutligen, som med alla intravenösa injicerbara, är avgörande för att undvika mikrovaskulär obstruktion 8 exakt kontroll över partikelstorleksfördelning.
Det finns flera etablerade metoder för mikrobubblor tillverkning. Sonikering använder hög intensitet, appliceras lågfrekvent ultraljud för att luft-vätskegränsytan av en emulsion, som innefattar ett ytaktivt medel, såsom en amfipatisk fosfolipid, i närvaro av en gas som luft för att alstra mikrobubblor 7,9. Denna process kan styras genom att variera ultraljudfrekvens, makt och pulslängd, och den resulterande storleksfördelningen kan skräddarsys för att producera mikrobubblor av en viss storleksfördelning, även om ultraljudsbehandling används sällan vid tillverkning av kliniskt använda mikrobubblor. Sammanslagning är intensiv mekanisk omröring av ett ytaktivt medel och gas i ett slutet system, som också är svåra att skala upp för att rymma stora volymer 2. Droplet-baserade mikroflödes ger exakt kontroll av mikrobubblor storleksfördelning 10-13. Även traditionellt svårt att skala upp, flera kanaler, höghastighets mikrofluidik har beskrivits som ökar mikrobubblor produktionseffektivitet 13. Mikrobubblor som tillverkas med hjälp av någon av dessa metoder kan kräva efter tillverkning storleksreduktionsprocesser, såsom centrifugal fraktione 14,15 och mikrobubblor flotation 16,17.
En annan etablerad metod för framställning av mycket stabila mikrobubblor är skjuvning homogenization 6, vilket kan resultera i en stabiliserande sexkantiga fosfolipid mönstret på den mikrobubbelytan 18. Att bygga på detta koncept, beskriver vi införlivandet av en hög skjuvning sator in-line för att skapa självorganiserande LOM 19. I denna process utnyttjar homogeniseringsanordningen snabbt roterande knivar i nära anslutning till dubbla finmaskigt emulsor skärmar, skapar hög mekanisk och hydraulisk sax för att skapa mikrobubblor. Seriell koncentration av lipidemulsionen genom detta system ger en alltmer koncentrerad gasfraktion, vilket kan ytterligare koncentreras genom centrifugering.
De viktigaste stegen för att skapa koncentrerade, starkt syre LOM är: 1) se till att det fria utrymmet i HCT förblir fullt syresatt; 2) se till att renheten hos de lipid hjälpämnena är optimal (inklusive villkor och användning av GMP produkter förvaring); 3) se till att de pulveriserade lipider blandas helt med vattenfasen före grundning av systemet; och 4) mycket uppmärksamma på den ökade gas-fraktionen inom HCT att volymfraktionen av gas inte överstiger 70%.
Den metod som vi b…
The authors have nothing to disclose.
Finansiering: US Army Medical Research & Materielverk (USAMRMC) och förvaltas av Telemedicine & Advanced Technology Research Center. Shunxi Ji bidrog ändring av sprutorna som beskrivs här.
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 |