Method Article

Osmotik Basınç Kullanarak Polyester Bazlı Polimeromların Modülasyon Şekli

DOI:

10.3791/62548

⸱

April 21st, 2021

 ,  , 
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Clemson University, 2Department of Biological Sciences, Clemson University, 3Department of Bioengineering, Clemson University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Polimeromlar, Gibb'in Serbest Enerjisini en aza indirmek için küresel şekillerde oluşturulan kendi kendine monte edilmiş polimerik veziküllerdir. İlaç teslimi durumunda, daha uzun yapılar faydalıdır. Bu protokol, ozmotik basıncı teşvik etmek ve iç veziklin hacimlerini azaltmak için tuz kullanarak uzun en boy oranlarına sahip daha çubuk benzeri polimeromlar oluşturmak için yöntemler oluşturur.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Polimeromlar, ilaç dağıtım uygulamaları için hem hidrofobik hem de hidrofilik yükleri kapsülleyebilen amfifilik blok koalizörlerden oluşturulan membran bağlı, bilayer veziküllerdir. Sözlerine rağmen, polimeromlar, katı nanopartikül bilim adamları tarafından gösterildiği gibi hücreler tarafından kolayca alınmayan küresel şekilleri nedeniyle uygulamada sınırlıdır. Bu makalede, küresel poli(etilen glikol) (PEG) bazlı polimeromların en boy oranlarını artırmak için tuz bazlı bir yöntem açıklanmaktadır. Bu yöntem polimeromları uzatabilir ve sonuçta oluşum sonrası diyalize sodyum klorür ekleyerek son şekillerini kontrol edebilir. Tuz konsantrasyonu, bu yöntemde açıklandığı gibi, polimerom ve hedef şekil için temel olarak kullanılan blok koalizerinin hidrofobikliğine dayanarak değiştirilebilir. Uzun nanopartiküller, kenar boşluğunun gözlendiği damarlar gibi daha büyük çaplı kan damarlarında endotelleri daha iyi hedefleme potansiyeline sahiptir. Bu protokol, polimeromların çift yüklemeli, uzun süre dolaşan yararları ile birlikte uzama tekniklerini kullanarak terapötik nanopartikül uygulamalarını genişletebilir.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Şekil modülasyonu, nanopartikül aracılı ilaç dağıtımını iyileştirmenin nispeten yeni ve verimli bir yoludur. Morfolojideki değişiklik sadece parçacıkların yüzey alanını artırmakla kalmaz, bu da daha fazla taşıma kapasitesi sağlar, aynı zamanda stabiliteyi, dolaşım süresini, biyoyararlanımı, moleküler hedeflemeyi ve kontrollü salınımı iyileştirmek için tahta genelinde etkileri vardır1. Bu yöntemdeki odak nanopartikül olan polimeromlar, hücresel alımda pratik olmadığı kanıtlanmış ve yabancı bir cisim olarak bağışıklık sisteminde daha kolay tespit edilen termodinamik olarak kendi kendine küresel bir şekle dönüşme eğilimindedir. Yapıyı bir prolate veya çubuk haline getirebilmek, ilaç taşıyıcısının yerel hücreleri taklit ederek makrofajlardan kaçmasına ve istenen hedefe 2 , 3 , 4,5,6,7daha başarılı bir şekilde teslim etmesine izin verecektir. Membranlara bağlı yüklerin korunması, zarın uyaranlara yanıt vermesi ve hidrofilik ve hidrofobik ilaçların çift kapsüllenmesi de dahil olmak üzere polimeromların önemli yararları8,9,10, onları ilaç teslimatı için güçlü adaylar haline getiren şekil modülasyonu sırasında korunur.

Polimeromların şekillerini modüle etmede birçok farklı yöntem vardır ve her biri kendi avantajları ve dezavantajları ile birlikte gelir. Bununla birlikte, bu yöntemlerin çoğu iki kategoriye ayrılır: solvent tahrikli ve tuz tahrikli ozmotik basınç değişimi11. Her iki yaklaşım da polimeromlar küresel denge şeklinde oluştuktan sonra mevcut bükme enerjisinin üstesinden gelmeyi amaçlamaktadır. Osmotik basınç gradyanı getirilerek, polimeromlar güçlü bükme enerjilerine rağmen uzun yapılara bükülmeye zorlanabilir11,12.

Solvent tabanlı yöntem, Kim ve van Hest13'ünçalışmalarından esinlenerek şekil değişikliğini araştırıyor. Organik çözücüleri vezikül zarında hapsetmek ve suyu veziklin çekirdeğinden çıkarmak için organik bir çözücü ve su karışımında polimeromları plastikleştirdiler. Sonunda, parçacığın iç hacmi o kadar düşüktür ki, uzadı. Bu yöntem umut vaat etse de, pratiklikten yoksun. Bu yöntem, modülasyonda yer alan her bir polimerik omurga için farklı çözücüler gerektirir. Bu nedenle, şekil değişikliğini teşvik etmek yaygın olarak geçerli değildir. Tersine, tuz bazlı yöntem tekdüzedir ve birçok blok koolimer bazlı polimeromlara ozmotik basınç getirebilen tek bir evrensel sürücü kullanır.

Bu proje L'Amoreaux veark. Bu protokol iki tur diyaliz içeriyor. Biri, üretim sırasında bilayerde sıkışmış olabilecek organik çözücüyü çıkararak poli (etilen glikol)-b-poli(laktik asit) (PEG-PLA) polimeromlarını arındırmayı ve katılaştırmayı amaçlamaktadır ve şekil değişikliğini teşvik eder. İkinci diyaliz adımı, şekil değişimini sağlamak için ozmotik basınç gradyanı oluşturan 50 mM NaCl çözümünü sunar. Bu yöntem, bir çözeltideki hipertonik stresin veziklinin küçülmesine neden olacağını belirten Salva ve ark.,15. Bu yöntem, 50-200 mM NaCl'den iki farklı polyester bazlı polimerom ve çeşitli tuz gradyanlarına bakarak daha önce yayınlanan bir yöntem14 üzerine kuruludur. Polyesterler biyouyumları ve biyobozunurlukları nedeniyle kullanılır. Tuz gradyanı, blok koalyolimer omurgasının hidrofobikliğine bağlı olarak şekil üzerinde çeşitli etkilere sahiptir. Prolates, çubuklar ve stomatositler oluşturmak için kullanılabilir. Bu tuz tahrikli yöntem, replikasyon kolaylığı ve deneysel çok yönlülük nedeniyle seçildi.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Solvent enjeksiyon yöntemi kullanılarak küresel polimerom oluşumu

  1. Organik çözücüde polyesterlerin çözünmesi
    NOT: Polimerom oluşturmak için ilgili organik çözücüde aynı anda sadece bir polyester çözülmelidir.
    1. Polyesterleri PEG-PLA veya PEG-b-poly (laktik-ko-glikolik asit) (PEG-PLGA) dimetil sülfit (DMSO) içinde % 1,5 ağırlıkta çözün. Özellikle, 0.015 g seçili polyesteri 1 mL DMSO (15 mg/mL) içinde çözün. Polimerin tam çözünmesi için 15 dakikaya kadar girdaplanma dönemleri gerekebilir.
  2. Polyester organik çözücüde çözülürken, solvent enjeksiyon cihazını Şekil 1'e göre ayarlayın.
    1. Bir karıştırma plakasını dikey şırınna pompasının tam altına yerleştirin. Karıştırma plakasına 1 mL Tip II deiyonize su ve minyatür bir karıştırma çubuğu ile 5 mL cam şişe yerleştirin.
    2. Şırınga pompasının yüksekliğini, iğne ucunun Tip II deiyonize suya tamamen batırılmasını sağlayacak şekilde ayarlayın.
    3. Şırınna pompasının infüzyon oranını 5 μL/dk olarak ayarlayın.
      NOT: Küçük hacimli bir şırınna pompası kullanılırsa, şırınnalı adaptör bir halka standına kurulabilir. Büyük hacimli bir şırınna pompası kullanılırsa, pompa yüksekliği ayarlamak için bir laboratuvar jakına dikey olarak yerlenebilir.
  3. Organik çözücü ve polyester çözeltisini (adım 1.1.1) 1/2" iğne uzunluğuna sahip 27 G'lık bir iğneye çekerek çözücü enjeksiyonu gerçekleştirin.
    1. İğneyi şırınga pompasına yerleştirin ve tamamen güvenli olduğundan emin olun. Şırıngan pistonun ucuna dokunmak için itici bloğunu ayarlayın.
    2. Karıştırma plakasını, suyun 100 rpm'de dönmesi için başlatın ve ardından şırınna pompasını çalıştırın.
  4. Şırınd pompası organik çözücü ve polimeri karıştırma suyuna tamamen aşıladıktan sonra, karıştırma çubuğundan çıkarın ve cam şişeyi kaplayın.
  5. Polimeromları dinamik ışık saçılımı (DLS) ile karakterize eder.
    1. Şimdi küçük bir organik çözücü ve polimer yüzdesi ile 1 mL su alın ve 1 mL'lik bir cuvette yerleştirin.
    2. Tablo 1'denayarları kullanarak, sisteme 1 mL cuvette yerleştirerek DLS gerçekleştirin ve çalıştırmayı ayarlayın. Polimerom yoğunluk ağırlıklı çapı ve polidisperlik indeksini (PDI) okuyun ve toplayın.
      NOT: Organik çözücü miktarı çok düşük olduğu için plastik bir cuvette bu durumda iyi çalışır. Bununla birlikte, herhangi bir endişe varsa, bir cam cuvette de çalışacaktır.
  6. İletim Elektron Mikroskopisi (TEM) ve TaramaLı Elektron Mikroskopisi (SEM) kullanarak küresel polimerom oluşumunu onaylayın.
    1. TEM ve SEM protokollerini mevcut ekipmanlara göre optimize edin. TEM'de 120 kV, SEM'de 5.0 kV'de temsili sonuçlar alındı.
    2. Em kullanılarak polimeromlar görünmüyorsa, arka plan lekesi olarak uranil asetat uygulayın.
      NOT: Polyester bazlı polimeromların şekil modülasyonu için TEM ve SEM görüntüleme ile ilgili ayrıntılar referans14'tebulunabilir. Yumuşak nanopartiküller için elektron mikroskopi teknikleri hakkında bilgi referansta ayrıntılı olarak açıklanmıştır16.

2. Organik çözücüyü çıkarmak için diyaliz

  1. Üretici tarafından sağlanan protokollere göre 300 kDa diyaliz membranı yıkayın.
  2. Diyaliz cihazının rezervuarına 1 mL polimerom çözeltisi ekleyin.
  3. Diyaliz cihazını bir karıştırma plakasına 150 mL Tip II deiyonize su ile 250 mL'lik bir kabın içine yerleştirin. Karıştırma plakasını diyaliz cihazının hafifçe hareket etmesine izin veren bir hıza ayarlayın ve gece boyunca karıştırmaya bırakın.
    NOT: Diyaliz sırasında bir girdap oluşursa hızın düşürülmesi gerekir.
  4. Diyaliz tamamlandıktan sonra, diyaliz cihazından 1 mL polimerom çözeltisini çıkarın. 1.5. adımı izleyerek polimerom çözeltisini karakterize edin.
    NOT: Bu bilgilerin toplanması, şekil modülasyon protokolünün başarısını belirlemek için geçerlidir, çünkü polimerom uzamışsa PDI'daki bir artışı tanımlayabilmelidir.

3. Tuz gradyanlarına karşı diyaliz

  1. İstenilen son polimerom özelliklerine göre 50 mM, 100 mM veya 200 mM sodyum klorür konsantrasyonu ile 150 mL istenen tuz tamponu oluşturun. Genel olarak, artan tuz konsantrasyonu polimerom uzamasının artmasına neden olan şey.
  2. Diyalize edilmiş ve karakterize edilmiş polimerom çözeltisini alın ve diyaliz cihazına yeniden yerleştirin. Yüklenen diyaliz cihazını istenen tuz çözeltisinin 150 mL'sine yerleştirin ve 18 saat boyunca hafifçe karıştırmaya bırakın.
    NOT: Şekil modüle edilmiş polimeromlar 7 güne kadar bir süre boyunca izotonik bir çözeltide saklanabilir ve şekillerini koruyabilir.

4. Şekil modüle polimerom karakterizasyonu

  1. Şekil modülasyonundan sonra DLS, TEM ve SEM üzerinden polimerom karakterizasyonu gerçekleştirin. Em kullanılarak polimeromlar görünmüyorsa, arka plan lekesi olarak uranil asetat uygulayın.
  2. PDI'daki bir değişiklik polimeromlarda etkili şekil değişikliğine işaret ettiği için, küresel polimeromlara kıyasla PDI ölçümlerine özellikle dikkat ederek, adım 1.5'te açıklandığı gibi DLS ölçümleri gerçekleştirin.
  3. Yöntemin başarısını sağlamak için görüntüleme için uygun kontrollerin, özellikle şekilsiz modüle edilmiş polimeromların kullanılmasını sağlayın.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tablo 2, protokol adım 1'i takip ederken beklenen sonuçları sunar. DMSO'nun polimerom oluşumunda hem PEG-PLA hem de PEG-PLGA için çözücü olarak kullanıldığını unutmayın. Bu çözücüden sapma mümkündür, çünkü diğer suda karışır çözücüler koalizörleri çözecektir, ancak sonuçları değiştirmesi beklenir. PDI'nın monodisperz polimeromlarının oluşumunu gösteren 0,2'den az olması beklenebilir17. Artan hidrofobikliğin hem polimerom çapında hem de PDI'da sapmanın artmasına yol açtığını unutma...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kendi kendine monte edilen sistemler kontrol edilemez. Boyut, şekil ve yapı dahil olmak üzere son özellikleri, seçilen amfifilin hidrofobik özellikleri ve seçilen çözücü ortamı tarafından tahrik edilir. Amfifilik blok koalize ediciler, Gibb'in serbest enerjisini en aza indiren ve termodinamik denge23'eyol açan küresel şekillere yönelir, böylece polimeromlar oluşturur. Denge doğası nedeniyle, polimeromların şekillerini uzatmak veya değiştirmek önemli ölçüde daha zordur ve bu nedenle katı nanopartik...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu proje kısmen 5P20GM103499-19 numaralı Ulusal Sağlık Enstitüleri Projesi tarafından Öğrenci Başlatılan Araştırma Proje Programı aracılığıyla finanse edildi. Bu çalışma Clemson'ın Yaratıcı Sorgulama Programı tarafından da kısmen desteklendi. Ayrıca, başlangıçta bu protokolü oluşturmak için çalışan Nicholas L'Amoreaux ve Aon Ali'yi de kabul ediyoruz, ilk makalelerini buradayayınladılar 14.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
15 * 45 şişe vida dişi w / kapak takılıFisherbrand9609104000
Dimetil SülfoksitFisher ChemicalD128-1
Dimetil SülfoksitBDHBDH1115-1LP
Isoremp karıştırıcılar, ocaklar ve karıştırma ocakları FisherbilimselCIC00008110V19
LEGATO 130 ŞIRINGA POMPASIkd Bilimsel788130
PEG (1000) -b-PLA (5000), Diblock PolymerPolysciences Inc24381-1çoğaltırken moleküler ağırlıklara dikkat edin
Poli (etilen glikol) (2000) Metil eter-blok-poli (laktid-ko-glikolid) (4500)Sigma aldrich764825-1Gçoğaltırken moleküler ağırlıklara dikkat edin
Tek Kullanımlık Şırınga / BD PrecisionGlide İğne kombinasyonu, steril, BD tıbbiBD medikalBD305620Tüberkülin
Sodyum KlorürBDHBDH9286
Zetasizer Nano ZSMalvern

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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, Springer New York. New York, NY. (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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Polymersome ShapeOsmotic PressurePolyester PolymersomesDrug DeliveryShape ModulationDynamic Light ScatteringDialysis MembraneSodium Chloride GradientPEG PLA PolymersomesCellular Uptake

Related Articles