Summary

Modulerende form av polyesterbaserte polymersomer ved hjelp av osmotisk trykk

Published: April 21, 2021
doi:

Summary

Polymerer er selvmonterte polymere vesikler som dannes i sfæriske former for å minimere Gibbs frie energi. Ved legemiddellevering er mer langstrakte strukturer gunstige. Denne protokollen etablerer metoder for å skape mer stanglignende polymerer, med langstrakte størrelsesforhold, ved hjelp av salt for å indusere osmotisk trykk og redusere indre vesiclevolumer.

Abstract

Polymerer er membranbundne, bilayer vesikler laget av amfifile blokkkopolymerer som kan innkapsle både hydrofobe og hydrofile nyttelaster for bruksområder for levering av legemidler. Til tross for deres løfte er polymersomer begrenset i anvendelse på grunn av deres sfæriske form, som ikke lett tas opp av celler, som demonstrert av faste nanopartikkelforskere. Denne artikkelen beskriver en saltbasert metode for å øke sideforholdene til sfærisk poly (etylenglykol) (PEG)-baserte polymerer. Denne metoden kan forlenge polymerer og til slutt kontrollere deres endelige form ved å legge til natriumklorid i postformasjonsdialyse. Saltkonsentrasjonen kan varieres, som beskrevet i denne metoden, basert på hydrofobiskheten til blokkkopolymeren som brukes som base for polymersomet og målformen. Langstrakte nanopartikler har potensial til bedre å målrette endotelet i blodkar med større diameter, som årer, hvor marginering observeres. Denne protokollen kan utvide terapeutiske nanopartikkelapplikasjoner ved å bruke forlengelsesteknikker i takt med de doble, langvarige fordelene med polymerer.

Introduction

Formmodulering er en relativt ny og effektiv måte å forbedre nanopartikkelmediert legemiddellevering på. Ikke bare øker endringen i morfologi overflaten av partikler, noe som igjen gir større bæreevne, men det har også implikasjoner over hele linjen for å forbedre stabilitet, sirkulasjonstid, biotilgjengelighet, molekylær målretting og kontrollert frigjøring1. Polymersomer, nanopartikkelen av fokus i denne metoden, har en tendens til termodynamisk selvmontering i en sfærisk form, som har vist seg å være upraktisk i cellulært opptak og lettere oppdages i immunsystemet som fremmedlegeme. Å kunne forlenge strukturen til en prolat eller en stang vil tillate narkotikabæreren å unngå makrofager ved å etterligne innfødte celler og mer vellykket levere til ønsket mål2,3,4,5,6,7. De betydelige fordelene med polymerer, inkludert membranbundet beskyttelse av nyttelaster, membranens stimuli-respons og dobbel innkapsling av hydrofile og hydrofobe legemidler8,9,10, som gjør dem sterke kandidater for legemiddellevering opprettholdes under formmodulering.

Det er mange forskjellige metoder for modulering av polymerosmers former, og hver kommer med sine respektive fordeler og ulemper. Imidlertid faller de fleste av disse metodene inn i to kategorier: løsningsmiddeldrevet og saltdrevet osmotisk trykkendring11. Begge tilnærmingene tar sikte på å overvinne bøyeenergien som er tilstede etter at polymerer er dannet i en sfærisk likevektsform. Ved å introdusere en osmotisk trykkgradient kan polymerer bli tvunget til å bøye seg i langstrakte strukturer til tross for sterke bøyeenergier11,12.

Den løsningsmiddelbaserte metoden utforsker formendring inspirert av Kims og van Hest13sarbeid. De plastiserte polymerer i et organisk løsningsmiddel og vannblanding for å fange de organiske løsningsmidlene i vesiclemembranen og drive vann ut av vesiclekjernen. Til slutt er partikkelens indre volum så lavt at det forlenger. Selv om denne metoden har vist løfte, mangler den praktisk. Denne metoden krever forskjellige løsningsmidler for hver enkelt polymer ryggrad involvert i moduleringen. Derfor er det ikke allment aktuelt å fremme formendring. Omvendt er den saltbaserte metoden jevn og bruker en universell driver som kan introdusere osmotisk trykk til mange blokkkopolymerbaserte polymerer.

Dette prosjektet benytter den saltbaserte metoden introdusert av L’Amoreaux et al14. Denne protokollen involverer to runder med dialyse. Man tar sikte på å rense og størkne poly(etylenglykol)-b-poly(melkesyre) (PEG-PLA) polymerer ved å fjerne organiske løsningsmidler som kan ha blitt fanget i bilayeren under produksjonen, og en som fremmer formendringen. Det andre dialysetrinnet introduserer en 50 mM NaCl-løsning som skaper en osmotisk trykkgradient for å drive formendringen. Denne metoden støttes av Salva et al., som bemerker at hypertonisk stress i en løsning vil føre til at vesicle krymper15. Denne metoden bygger på en tidligere publisert metode14 som ser på to forskjellige polyesterbaserte polymerer og forskjellige saltgradienter fra 50-200 mM NaCl. Polyestere brukes på grunn av deres biokompatibilitet og biologisk nedbrytning. Saltgradienten har varierende effekt på formen avhengig av hydrofobiskheten til blokkens kopuleringsryd. Den kan brukes til å lage prolater, stenger og stomatokytter. Denne saltdrevne metoden ble valgt på grunn av enkel replikering og eksperimentell allsidighet.

Protocol

1. Sfærisk polymersomdannelse ved hjelp av en løsningsmiddelinjeksjonsmetode Oppløsning av polyester i organisk løsningsmiddelMERK: Bare én polyester skal oppløses i sitt respektive organiske løsningsmiddel om gangen for å danne polymerer. Løs opp polyester PEG-PLA eller PEG-b-poly (melkesyre-kolykolsyre) (PEG-PLGA) i dimetylsulfoksid (DMSO) i en konsentrasjon på 1,5% vekt. Oppløsning spesielt 0,015 g valgt polyester i 1 ml DMSO (15 mg/ml). Full oppløsning av polymeren kan kreve perioder…

Representative Results

Tabell 2 viser forventede resultater når du følger protokolltrinnet 1. Vær oppmerksom på at DMSO brukes som løsningsmiddel for både PEG-PLA og PEG-PLGA i polymersomdannelse. Avvik fra dette løsningsmidlet er mulig, da andre vann-blandbare løsningsmidler vil oppløse kokopolymerene, men forventes å endre resultatene. Det forventes at PDI vil være mindre enn 0,2, noe som indikerer dannelsen av monodisperse polymersomer17. Vær oppmerksom på at økende hydrofobiskhet føre…

Discussion

Selvmonterte systemer er notorisk ukontrollerbare. Deres endelige egenskaper, inkludert størrelse, form og struktur, drives av den valgte amfifilens hydrofobe egenskaper og det valgte løsningsmiddelmiljøet. Amfifile blokkkopolymerer har en tendens til sfæriske former, noe som minimerer Gibbs frie energi og fører til den termodynamiskelikevekten 23, og danner dermed polymerer. På grunn av deres likevektsnatur er polymersomer betydelig mer utfordrende å forlenge eller endre i form og derfor m…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette prosjektet ble delvis finansiert av National Institutes of Health Project nummer 5P20GM103499-19 gjennom Student Initiated Research Project Program. Dette arbeidet ble også delvis støttet av Clemsons Creative Inquiry Program. Vi anerkjenner også Nicholas L’Amoreaux og Aon Ali som først jobbet med å lage denne protokollen, og publiserte sin første artikkel sitert her14.

Materials

15*45 vials screw thread w/cap attached Fisherbrand 9609104000
Dimethyl Sulfoxide Fisher Chemical D128-1
Dimethyl Sulfoxide BDH BDH1115-1LP
Isoremp stirrers, hotplates, and stirring hotplates Fisher scientific CIC00008110V19
LEGATO 130 SYRINGE PUMP kd Scientific 788130
PEG(1000)-b-PLA(5000), Diblock Polymer Polysciences Inc 24381-1 note the molecular weights when replicating
Poly(ethylene glycol) (2000) Methyl ether-block-poly(lactide-co-glycolide) (4500) Sigma aldrich 764825-1G note the molecular weights when replicating
Single-Use Syringe/BD PrecisionGlide Needle combination, sterile, BD medical BD medical BD305620 Tuberculin
Sodium Chloride BDH BDH9286
Zetasizer Nano ZS Malvern

References

  1. Varma, L. T., et al. Recent advances in self-assembled nanoparticles for drug delivery. Current Drug Delivery. 17 (4), 279-291 (2020).
  2. Salatin, S., Maleki Dizaj, S., Yari Khosroushahi, A. Effect of the surface modification, size, and shape on cellular uptake of nanoparticles. Cell Biology International. 39 (8), 881-890 (2015).
  3. Baio, J. E., et al. Reversible activation of pH-sensitive cell penetrating peptides attached to gold surfaces. Chemical Communications. 51 (2), 273-275 (2015).
  4. Zhou, Y., et al. Mesoporous silica nanoparticles for drug and gene delivery. Acta Pharmaceutica Sinica B. 8 (2), 165-177 (2018).
  5. Champion, J. A., Mitragotri, S. Role of target geometry in phagocytosis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (13), 4930-4934 (2006).
  6. Banerjee, A., Qi, J., Gogoi, R., Wong, J., Mitragotri, S. Role of nanoparticle size, shape and surface chemistry in oral drug delivery. Journal of Controlled Release. 238, 176-185 (2016).
  7. Kolhar, P., et al. Using shape effects to target antibody-coated nanoparticles to lung and brain endothelium. Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (26), 10753-10758 (2013).
  8. Meng, F., Zhong, Z., Feijen, J. Stimuli-responsive polymersomes for programmed drug delivery. Biomacromolecules. 10 (2), 197-209 (2009).
  9. Iqbal, S., Blenner, M., Alexander-Bryant, A., Larsen, J. Polymersomes for therapeutic delivery of protein and nucleic acid macromolecules: from design to therapeutic applications. Biomacromolecules. 21 (4), 1327-1350 (2020).
  10. Discher, D. E., Ahmed, F. Polymersomes. Annual review of biomedical engineering. 8, 323-341 (2006).
  11. Seifert, U., Berndl, K., Lipowsky, R. Shape transformations of vesicles: Phase diagram for spontaneous- Curvature and bilayer-coupling models. Physical Review A. 44 (2), 1182-1202 (1991).
  12. Rikken, R. S. M., et al. Shaping polymersomes into predictable morphologies via out-of-equilibrium self-assembly. Nature Communications. 7, 1-7 (2016).
  13. Kim, K. T., et al. Polymersome stomatocytes: Controlled shape transformation in polymer vesicles. Journal of the American Chemical Society. 132 (36), 12522-12524 (2010).
  14. L’Amoreaux, N., Ali, A., Iqbal, S., Larsen, J. Persistent prolate polymersomes for enhanced co-delivery of hydrophilic and hydrophobic drugs. Nanotechnology. 31 (17), 175103 (2020).
  15. Salva, R., et al. Polymersome shape transformation at the nanoscale. ACS Nano. 7 (10), 9298-9311 (2013).
  16. Skoczen, S. L., Stern, S. T. Characterization of Nanoparticles Intended for Drug Delivery. Methods in Molecular Biology. 1682, (2018).
  17. Bhattacharjee, S. DLS and zeta potential – What they are and what they are not. Journal of Controlled Release. 235, 337-351 (2016).
  18. Men, Y., Li, W., Lebleu, C., Sun, J., Wilson, D. A. Tailoring polymersome shape using the Hofmeister effect. Biomacromolecules. 21 (1), 89-94 (2020).
  19. Decuzzi, P., et al. Size and shape effects in the biodistribution of intravascularly injected particles. Journal of Controlled Release. 141 (3), 320-327 (2010).
  20. Liu, Y., Tan, J., Thomas, A., Ou-Yang, D., Muzykantov, V. R. The shape of things to come: Importance of design in nanotechnology for drug delivery. Therapeutic Delivery. 3 (2), 181-194 (2012).
  21. Tao, L., et al. Shape-specific polymeric nanomedicine: Emerging opportunities and challenges. Experimental Biology and Medicine. 236 (1), 20-29 (2011).
  22. L’Amoreaux, N., Ali, A., Iqbal, S., Larsen, J. Persistent prolate polymersomes for enhanced co-delivery of hydrophilic and hydrophobic drugs. BioRxiv. , 796201 (2019).
  23. Chandler, D. Interfaces and the driving force of hydrophobic assembly. Nature. 437 (7059), 640-647 (2005).
  24. Wong, C. K., Mason, A. F., Stenzel, M. H., Thordarson, P. Formation of non-spherical polymersomes driven by hydrophobic directional aromatic perylene interactions. Nature Communications. 8 (1), (2017).
  25. Abdelmohsen, L. K. E. A., et al. Shape characterization of polymersome morphologies via light scattering techniques. Polymer. 107, 445-449 (2016).
  26. Men, Y., et al. Nonequilibrium Reshaping of polymersomes via polymer addition. ACS Nano. 13 (11), 12767-12773 (2019).
  27. Meeuwissen, S. A., Kim, K. T., Chen, Y., Pochan, D. J., van Hest, J. C. M. Controlled shape transformation of polymersome stomatocytes. Angewandte Chemie. 123 (31), 7208-7211 (2011).
  28. Wong, C. K., et al. Faceted polymersomes: A sphere-to-polyhedron shape transformation. Chemical Science. 10 (9), 2725-2731 (2019).
  29. Chidanguro, T., Ghimire, E., Simon, Y. C. Shape-transformation of polymersomes from glassy and crosslinkable ABA triblock copolymers. Journal of Materials Chemistry B. 8 (38), 8914-8924 (2020).
  30. Van Oers, M. C. M., Rutjes, F. P. J. T., Van Hest, J. C. M. Tubular polymersomes: A cross-linker-induced shape transformation. Journal of the American Chemical Society. 135 (44), 16308-16311 (2013).
  31. Che, H., et al. Pathway dependent shape-transformation of azide-decorated polymersomes. Chemical Communications. 56 (14), 2127-2130 (2020).
  32. Haryadi, B. M., et al. Nonspherical nanoparticle shape stability is affected by complex manufacturing aspects: Its implications for drug delivery and targeting. Advanced Healthcare Materials. 8 (18), 11-13 (2019).
  33. Katterman, C., Pierce, C., Larsen, J. Combining nanoparticle shape modulation and polymersome technology in drug delivery. ACS Applied Bio Materials. , (2021).

Play Video

Cite This Article
Pierce, C., Katterman, C., Larsen, J. Modulating Shape of Polyester Based Polymersomes using Osmotic Pressure. J. Vis. Exp. (170), e62548, doi:10.3791/62548 (2021).

View Video