Быстрая, масштабируемая Ассамблеи и загрузка биоактивные белков и Иммуностимуляторы в разнообразных синтетических Nanocarriers через флэш-Nanoprecipitation
Summary
Наноматериалы обеспечивают универсальный механизмы терапевтического контролируемых поставок как фундаментальной науки, так и трансляционная приложений, но их изготовления часто требует опыта, который недоступен в наиболее биомедицинских лабораториях. Здесь мы представляем протоколы для масштабируемых изготовления и терапевтические загрузки разнообразных собственн-собранные nanocarriers с использованием флэш-nanoprecipitation.
Abstract
Наноматериалы представляют широкий спектр опций для настройки контролируемые поставки одного и комбинированных молекулярной полезных для терапевтических и визуализации приложений. Это увеличение специфичность может иметь значительные клинические последствия, включая снижение побочных эффектов и более низкие дозы с высшей потенции. Кроме того в situ ориентации и управляемой модуляции подмножества определенных ячеек можно повысить в пробирке и в vivo исследования основных биологических явлений и зонд функции клеток. К сожалению, необходимый опыт в наноразмерных науки, химия и машиностроение часто запрещают лаборатории без опыта в этих областях изготовления и настройки наноматериалы как инструменты для их расследования или транспортных средств для их терапевтические стратегии. Здесь мы предоставляем протоколы для синтеза и масштабируемых Ассамблея поддаются снисходительный формирования системы сополимер универсальный блок не токсичен и загрузки транспортных средств наноразмерных для биомедицинских приложений. Флэш-nanoprecipitation представлен как методологии для быстрого изготовления различных nanocarriers от poly(ethylene glycol) –bl-сополимеры поли (пропилен сероводорода). Эти протоколы позволит лаборатории с широкий спектр опыта и ресурсов для легко и можно воспроизвести изготовить передовых nanocarrier систем доставки для их приложений. Проектирование и строительство автоматизированного инструмента, который использует высокоскоростной шприцевый насос для облегчения флэш-nanoprecipitation процесс и чтобы усиление контроля над однородности, является размер, морфология и загрузка polymersome nanocarriers описал.
Introduction
Nanocarriers позволяют контролируемые поставки груза малого и высокомолекулярных соединений, включая активных субъектов, что, если не инкапсулированные, будет весьма разложению и/или слишком гидрофобные для администрации в естественных условиях. Nanocarrier морфологии регулярно сфабрикованы полимерные везикулы аналогично липосомы (также называемый polymersomes) предлагают возможность одновременно загружать гидрофильные и гидрофобные грузовой1,2. Несмотря на их перспективные преимущества polymersomes все еще редки в клинических приложений вследствие, в частности, несколько ключевых проблем в их производстве. Для клинического применения polymersome составов должны быть сделаны в крупномасштабных, стерильные и последовательных партий.
Целый ряд методов может использоваться для формы polymersomes из диблок сополимера, например poly(ethylene glycol) –блок-поли (пропилен сульфидные) (PEG –bl– PPS), которые включают растворителей дисперсии3, тонкопленочных регидратации1 , 4, микрофлюидика 5,6и7прямых гидратации. Растворителя дисперсии предполагает длительный инкубационный раз в присутствии органических растворителей, которые может денатурировать некоторые биоактивные полезных нагрузок, как белки. Тонкопленочных регидратации не предложить контроль над полиизопрена сформированных polymersomes, часто требующие дорогим и трудоемким экструзии методы для достижения приемлемого монодисперсность. Кроме того как microfluids, так и прямых увлажнение трудны для масштаба вверх для больших объемов производства. Из методов изготовления различных nanocarrier флэш-nanoprecipitation (ППП) предлагает возможность сделать крупномасштабные и воспроизводимые формулировки8,9,10. Хотя FNP ранее был зарезервирован для разработки твердых ядро наночастиц, нашей лаборатории недавно расширил использование FNP включать последовательное формирование разнообразных PEG –bl– PPS наноструктурированных морфологии11, 12, включая polymersomes11 и bicontinuous nanospheres12. Мы обнаружили, что FNP был способен формирования составов монодисперсных polymersomes без необходимости для экструзии, что приводит к превосходной полиизопрена значения индекса по сравнению с не экструдированный polymersomes, образованный тонкопленочных регидратации и растворителя дисперсия 11. Bicontinuous nanospheres, с их большими гидрофобные доменов, не смогли быть сформирован тонкопленочных регидратации, несмотря на формирование под количество растворителя условий с FNP12.
Здесь мы предоставляем подробное описание для синтеза PEG –bl– PPS диблок сополимера, используемых в формировании polymersome, замкнутых покушение струй (CIJ) Смеситель для ППП, FNP протокол и осуществления автоматизированной системы снизить изменчивость пользователя. Включена информация о том, как для стерилизации системы достаточно производить бесплатно эндотоксина составов для использования в естественных условияхи репрезентативных данных, касающихся характеристика polymersomes, образованный FNP. С этой информацией читатели с интересом в использовании polymersomes in vitro и in vivo работы смогут изготовить их собственных стерильные, монодисперсных формулировок. Читатели с опытом работы в nanocarrier составов и с опытом синтеза полимерных будет возможность быстро проверить свои собственные полимерных систем, используя FNP в качестве потенциальной альтернативы их текущих методов разработки. Кроме того протоколы, описанные здесь, могут использоваться как образовательные инструменты для разработки nanocarriers курсы лаборатории нанотехнологий.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы предоставили подробные инструкции для быстрого изготовления polymersomes с помощью PEG17–bl– PPS35-SH, как сополимер диблок. Пузырчатка polymersomes являются основной совокупных морфологии, собрались на это соотношение гидрофильные PEG и гидрофобных PPS блок молекулярный вес. Когда затр…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы признаем поддержку персонала и инструментария от фонда структурной биологии в северо-западном университете. Поддержке о.в. Лурье всеобъемлющем Рак центр из Северо-Западного университета и Северо-Западного университета структурной биологии зал признается. Детектор прямого электронов Гатан K2 был приобретен с средства, предоставленные Чикаго биомедицинских консорциум с поддержкой от Searle фондов в Чикаго сообщества доверие. Мы также благодарим следующих учреждениях Северо-Западного университета: междисциплинарный научный центр поверхности Кек, фонд структурной биологии, биологической визуализации объекта, центр Расширенный молекулярной визуализации и аналитические Бионанотехнология оборудование ядро. Это исследование было поддержано 1DP2HL132390 национального научного фонда Грант 1453576, национальные институты здравоохранения директор новой награды новатор-01, Центр восстановительной наномедицины Катализатор премии и 2014 Маккормик Катализатор премии. ПДД частично поддержали NIH лектор биотехнологии обучения Грант T32GM008449.
Materials
| CanaKit Raspberry Pi 3 Ultimate Starter Kit – 32 GB Edition | CanaKit | UPC 682710991511 | |
| Linear Bearing Platform (Small) – 8mm Diameter | Adafruit | 1179 | |
| Linear Motion 8 mm Shaft, 330 mm Length, Chrome Plated, Case Hardened, Metric | VXB | kit11868 | |
| Linear Rail Shaft Guide/Support – 8 mm Diameter | Adafruit | 1182 | |
| Manual-Position Precision Slide 4.5" Stroke, 15 lb load capacity | McMaster-Carr | 5236A16 | |
| MTPM-P10-1JK43 Iron Horse DC motor | Iron Horse | MTPM-P10-1JK43 | |
| Official Raspberry Pi Foundation 7" Touchscreen LCD Display | Raspberry Pi | B0153R2A9I (ASIN) | |
| PicoBorg Reverse – Advanced motor control for Raspberry Pi | PiBorg | BURN-0011 | |
| Pololu Carrier with Sharp GP2Y0D810Z0F Digital Distance Sensor 10cm | Pololu | 1134 | |
| Ruland PSR16-5-4-A Set Screw Beam Coupling, Polished Aluminum, Inch, 5/16" Bore A Diameter, 1/4" Bore B Diameter, 1" OD, 1-1/4" Length, 44 lb-in Nominal Torque | Ruland | PSR16-5-4-A | |
| Polyethylene glycol monomethyl ether | Sigma Aldrich | 202495 | |
| Methanesulfonyl chloride | Sigma Aldrich | 471259 | |
| Toluene | Sigma Aldrich | 179418 | |
| Toluene, Anhydrous | Sigma Aldrich | 244511 | |
| Triethylamine | Sigma Aldrich | T0886 | |
| Celite 545 (Diatomaceous Earth) | Sigma Aldrich | 419931 | |
| Dichloromethane | Sigma Aldrich | 320269 | |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 296082 | |
| N,N-Dimethylformamide, anhydrous | Sigma Aldrich | 227056 | |
| Potassium carbonate | Sigma Aldrich | 791776 | |
| Thioacetic acid | Sigma Aldrich | T30805 | |
| Tetrahydrofuran | Sigma Aldrich | 360589 | |
| Aluminum oxide, neutral, activated, Brockmann I | Sigma Aldrich | 199974 | |
| Sodium methoxide solution, 0.5 M in methanol | Sigma Aldrich | 403067 | |
| Propylene sulfide | Sigma Aldrich | P53209 | |
| Acetic acid | Sigma Aldrich | A6283 | |
| Methanol | Sigma Aldrich | 320390 | |
| Sodium hydroxide solution 1.0 N | Sigma Aldrich | S2770 | |
| Endotoxin-free water | GE Healthcare Life Sciences | SH30529.01 | |
| Paper pH strips | Fisher Scientific | 13-640-508 | |
| Endotoxin-free Dulbecco's PBS | Sigma Aldrich | TMS-012 | |
| Borosilicate glass scintillation vials | Fisher Scientific | 03-337-4 | |
| 1 mL all-plastic syringe | Thermo Scientific | S75101 | |
| Sepharose CL-6B | Sigma Aldrich | CL6B200 | |
| Liquid chromatography column | Sigma Aldrich | C4169 | |
| CIJ mixer, HDPE | Custom | ||
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | X100 | |
| Hydrogen peroxide solution | Sigma Aldrich | 216763 | |
| HEK-Blue hTLR4 | InvivoGen | hkb-htlr4 | |
| RAW-Blue Cells | InvivoGen | raw-sp | |
| QUANTI-Blue | InvivoGen | rep-qb1 | |
| PYROGENT Gel Clot LAL Assays | Lonza | N183-125 |
Referenzen
- Stano, A., Scott, E. A., Dane, K. Y., Swartz, M. A., Hubbell, J. A. Tunable T cell immunity towards a protein antigen using polymersomes vs. solid-core nanoparticles. Biomaterials. 34 (17), 4339-4346 (2013).
- Discher, B. M., et al. Polymersomes: tough vesicles made from diblock copolymers. Science. 284 (5417), 1143-1146 (1999).
- Vasdekis, A. E., Scott, E. A., O’Neil, C. P., Psaltis, D., Hubbell, J. A. Precision intracellular delivery based on optofluidic polymersome rupture. ACS Nano. 6 (9), 7850-7857 (2012).
- Yi, S., et al. Tailoring Nanostructure Morphology for Enhanced Targeting of Dendritic Cells in Atherosclerosis. ACS Nano. 10 (12), 11290-11303 (2016).
- Shum, H. C., Kim, J. W., Weitz, D. A. Microfluidic fabrication of monodisperse biocompatible and biodegradable polymersomes with controlled permeability. Journal of the American Chemical Society. 130 (29), 9543-9549 (2008).
- Pessi, J., et al. Microfluidics-assisted engineering of polymeric microcapsules with high encapsulation efficiency for protein drug delivery. International Journal of Pharmaceutics. 472 (1-2), 82-87 (2014).
- O’Neil, C. P., Suzuki, T., Demurtas, D., Finka, A., Hubbell, J. A. A novel method for the encapsulation of biomolecules into polymersomes via direct hydration. Langmuir. 25 (16), 9025-9029 (2009).
- Saad, W. S., Prud’homme, R. K. Principles of nanoparticle formation by flash nanoprecipitation. Nano Today. 11 (2), 212-227 (2016).
- Johnson, B. K., Prud’homme, R. K. Mechanism for rapid self-assembly of block copolymer nanoparticles. Physical Review Letters. 91 (11), 118302 (2003).
- Han, J., et al. A simple confined impingement jets mixer for flash nanoprecipitation. Journal of Pharmaceutical Sciences. 101 (10), 4018-4023 (2012).
- Allen, S., Osorio, O., Liu, Y. G., Scott, E. Facile assembly and loading of theranostic polymersomes via multi-impingement flash nanoprecipitation. Journal of Controlled Release. 262, 91-103 (2017).
- Bobbala, S., Allen, S. D., Scott, E. A. Flash nanoprecipitation permits versatile assembly and loading of polymeric bicontinuous cubic nanospheres. Nanoscale. 10 (11), 5078-5088 (2018).
- Allen, S. D., et al. Polymersomes scalably fabricated via flash nanoprecipitation are non-toxic in non-human primates and associate with leukocytes in the spleen and kidney following intravenous administration. Nano Research. , (2018).
- Karabin, N. B., et al. Sustained micellar delivery via inducible transitions in nanostructure morphology. Nature Communications. 9 (1), 624 (2018).
- Mascoli, C. C., Weary, M. E. Limulus amebocyte lysate (LAL) test for detecting pyrogens in parenteral injectable products and medical devices: advantages to manufacturers and regulatory officials. Journal of the Parenteral Drug Association. 33 (2), 81-95 (1979).
- Pustulka, K. M., et al. Flash nanoprecipitation: particle structure and stability. Molecular Pharmaceutics. 10 (11), 4367-4377 (2013).
- Tang, C., Amin, D., Messersmith, P. B., Anthony, J. E., Prud’homme, R. K. Polymer directed self-assembly of pH-responsive antioxidant nanoparticles. Langmuir. 31 (12), 3612-3620 (2015).
- Gindy, M. E., Panagiotopoulos, A. Z., Prud’homme, R. K. Composite block copolymer stabilized nanoparticles: simultaneous encapsulation of organic actives and inorganic nanostructures. Langmuir. 24 (1), 83-90 (2008).
