Produktion af nær-infrarød følsomme, Core-Shell Vaccine Delivery Platform
Summary
Denne artikel beskriver de protokoller, der anvendes til at producere en ny vaccine levering platform, “polybobbles,” at muliggøre forsinket burst frigivelse. Polyestere, herunder poly (lactic-co-glycolic syre) og polycaprolactone blev brugt til at danne polybobler og små molekyler og antigen blev brugt som last.
Abstract
Vaccine levering strategier, der kan begrænse eksponeringen af last til organisk opløsningsmiddel og samtidig muliggøre nye udgivelse profiler er afgørende for at forbedre immunisering dækning på verdensplan. Her introduceres en ny injicerbar, ultraviolet- helbredes og forsinket burst release- muliggør vaccine levering platform kaldet polybobler. Last blev injiceret i polyester-baserede polybobler, der blev dannet i 10% carboxymethycellulose-baserede vandige opløsning. Dette papir indeholder protokoller til at opretholde sfærisk form af polybobler og optimere lastplacering og fastholdelse for at maksimere mængden af gods i polybobler. For at sikre sikkerheden blev indholdet af chlorerede opløsningsmidler i polyboblerne analyseret ved hjælp af neutronaktiveringsanalyse. Frigivelsesundersøgelser blev udført med små molekyler som last i polyboblet for at bekræfte forsinket burst-frigivelse. For yderligere at vise potentialet for on-demand levering af lasten, guld nanorods blev blandet inden for polymer shell at muliggøre nær-infrarød laser aktivering.
Introduction
Begrænset immunisering dækning resulterer i død af 3 millioner mennesker specifikt forårsaget af vaccine-forebygges sygdomme1. Utilstrækkelige opbevarings- og transportforhold fører til spild af funktionelle vacciner og bidrager dermed til reduceret global immunisering. Desuden medfører ufuldstændig vaccination på grund af manglende overholdelse af de krævede vaccineplaner også begrænset vaccinedækning, specielt iudviklingslandene 2. Flere besøg hos medicinsk personale er påkrævet inden for den anbefalede periode for at modtage booster skud, hvilket begrænser procentdelen af befolkningen med fuldstændig vaccination. Der er derfor behov for at udvikle nye strategier for kontrolleret vaccinelevering for at omgå disse udfordringer.
Den nuværende indsats for at udvikle vaccineleveringsteknologier omfatter emulsionsbaserede polymeresystemer 3,4. Lasten udsættes dog ofte for større mængder organisk opløsningsmiddel, som potentielt kan forårsage aggregering og denaturering, navnlig i forbindelse med proteinbaseret last5,6. Vi har udviklet en ny vaccine levering platform, “polybubbles”, der potentielt kan huse flere lastrum og samtidig minimere mængden af last, der er udsat for opløsningsmiddel7. For eksempel, i vores polybubble core-shell platform, en lastlomme med diameter 0,38 mm (SEM) injiceres i midten af en 1 mm polybubble. I dette tilfælde vil overfladearealet af last, der udsættes for organisk opløsningsmiddel, være ca. 0,453 mm2. Efter at have overvejet pakningstætheden af kugler (mikropartikler) i en kugle (fragtdepot) er den faktiske mængde mikropartikler (10 μm i diameter), der kan være i depotet, 0,17 mm3. Volumenet af en mikropartikel er 5,24×10-8 mm3 og dermed antallet af partikler mikropartikler, der kan passe depotet er ~ 3,2×106 partikler. Hvis hver mikropartikel har 20 lastlommer (som følge af dobbeltemulsion) med en diameter på 0,25 μm, er overfladearealet for last, der udsættes for organisk opløsningsmiddel, 1274 mm2. Lastdepotet i polyboblen ville således have ~ 2800 gange mindre overfladeareal udsat for organisk opløsningsmiddel sammenlignet med organisk opløsningsmiddel-eksponeret last i mikropartikler. Vores polyesterbaserede platform kan således potentielt reducere mængden af last, der udsættes for organisk opløsningsmiddel, hvilket ellers kan forårsage lastsammenlægning og ustabilitet.
Polybobler dannes baseret på faseseparationsprincippet, hvor polyesteren i organisk fase sprøjtes ind i en vandig opløsning, hvilket resulterer i en sfærisk boble. Last i den vandige fase kan derefter injiceres i midten af polyboble. Et andet lastrum kan potentielt opnås inden for polybubble ved at blande en anden last med polymer skallen. Den polyboble på dette tidspunkt vil være formbart og vil derefter blive helbredt for at resultere i en solid polybobble struktur med last i midten. Sfæriske polybobler blev valgt frem for andre geometriske former for at øge lastkapaciteten i polybobble og samtidig minimere polyboblens samlede størrelse. Polybobler med last i midten blev valgt for at demonstrere forsinket burst frigivelse. Polybober blev også indarbejdet med nær infrarød (NIR) – følsomme (dvs. theranostic-aktiverende) agent, nemlig guld nanorods (AuNR), at forårsage stigning i temperaturen af polybober. Denne effekt kan potentielt lette en hurtigere nedbrydning og kan anvendes til at kontrollere kinetik i fremtidige anvendelser. I dette papir beskriver vi vores tilgang til form og karakterisere polybubbles, for at opnå forsinket burst frigivelse fra polybobbles, og at indarbejde AuNR i polybubbles at forårsage NIR-aktivering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nuværende teknologier og udfordringer
Emulsion-baserede mikro- og nanopartikler har været almindeligt anvendt som narkotika levering luftfartsselskaber. Selv om frigivelse kinetik af lasten fra disse enheder er blevet grundigt undersøgt, kontrollerende burst frigivelse kinetik har været en stor udfordring11. Lastens alsidighed og funktionalitet er også begrænset i emulsionsbaserede systemer på grund af lastens eksponering for overskydende vandige og organiske opløsnings…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gerne takke Dr. Bryan E. Tomlin tilknyttet elementært analyselaboratorium inden for kemiafdelingen hos TAMU, der hjalp med neutronaktiveringsanalysen (NAA).
Materials
| 1-Step Ultra Tetramethylbezidine (TMB)-Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) Substrate Solution | Thermo scientific | 34028 | |
| 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone | TCI AMERICA | H0991 | |
| 450 nm Stop Solution for TMB Substrate | Abcam | ab17152 | |
| Acryloyl chloride | Sigma Aldrich | A24109-100G | |
| Acriflavine | Chem-Impex International | 22916 | |
| Anhydrous ethyl ether | Fisher Chemical | E138-500 | |
| Anti-HIV1 gp120 antibody conjugated to horseradish peroxidase (HRP) | |||
| Bovine serum albumin (BSA) | Fisher BioReagents | BP9700100 | |
| BSA-CF488 dye conjugates | Invitrogen | A13100 | |
| Bromosalicylic acid | Acros Organics | AC162142500 | |
| Carboxymethylcellulose (CMC) | Millipore Sigma | 80502-040 | |
| Centrimonium bromide (CTAB) | MP Biomedicals | ICN19400480 | |
| Chloroform | Fisher Chemical | C2984 | |
| Coating buffer | Abcam | ab210899 | |
| Dichloromethane (DCM) | Sigma Aldrich | 270997-1L | |
| Diethyl ether | Fisher Chemical | E1384 | |
| Dodeacyl Amine | Acros Organics | AC117665000 | |
| Doxorubicin hydrochloride | Fisher BioReagents | BP251610 | |
| L-ascorbic acid | Acros Organics | A61 100 | |
| Legato 100 Syringe Pump | KD Scientific | 14 831 212 | |
| mPEG thiol | Laysan Bio | NC0702454 | |
| Nonfat dry milk | Andwin Scientific | NC9022655 | |
| Potassium carbonate | Acros Organics | AC424081000 | |
| Phosphate saline buffer | Fisher BioReagents | BP3991 | |
| (Poly(caprolactone) | Sigma Aldrich | 440744-250G | |
| (Poly(caprolactone) triol | Acros Organics | AC190730250 | |
| Poly (lactic-co-glycolic acid) diacrylate | CMTec | 280050 | |
| Potassium carbonate | Acros Organics | AC424081000 | |
| Recombinant HIV1 gp120 + gp41 protein | Abcam | ab49054 | |
| Silver nitrate | Acros Organics | S181 25 | |
| Sodium borohydride | Fisher Chemical | S678 10 | |
| Tetrachloroauric acid | Fisher Chemical | G54 1 | |
| Trehalose | Acros Organics | NC9022655 | |
| Triethyl amine | Acros Organics | AC157910010 |
Riferimenti
- . Global Immunization: Worldwide Disease Incidence Available from: https://www.chop.edu/centers-programs/vaccine-education-center/global-immunization/diseases-and-vaccines-world-view (2018)
- Paul, A., Bera, M., Gupta, P., Singh, N. D. P. o-Hydroxycinnamate for sequential photouncaging of two different functional groups and its application in releasing cosmeceuticals. Organic and Biomolecular Chemistry. 17 (33), 7689-7693 (2019).
- Kumari, A., Yadav, S. K., Yadav, S. C. Biodegradable polymeric nanoparticles based drug delivery systems. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 75 (1), 1-18 (2010).
- Dai, C., Wang, B., Zhao, H. Microencapsulation peptide and protein drugs delivery system. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 41 (2-3), 117-120 (2005).
- Souery, W. N., et al. Controlling and quantifying the stability of amino acid-based cargo within polymeric delivery systems. Journal of Control Release. 300, 102-113 (2019).
- Wang, W. Advanced protein formulations. Protein Science. 24 (7), 1031-1039 (2015).
- Lee, J., et al. An ultraviolet-curable, core-shell vaccine formed via phase separation. Journal of Biomedical Materials Research Part A. , (2019).
- Kittler, S., Hickey, S. G., Wolff, T., Eychmüller, A. Easy and Fast Phase Transfer of CTAB Stabilised Gold Nanoparticles from Water to Organic Phase. Zeitschrift für Physikalische Chemie. 229, 235 (2015).
- Soliman, M. G., Pelaz, B., Parak, W. J., del Pino, P. Phase Transfer and Polymer Coating Methods toward Improving the Stability of Metallic Nanoparticles for Biological Applications. Chemistry of Materials. 27 (3), 990-997 (2015).
- Arun Kumar, S., Good, J., Hendrix, D., Yoo, E., Kim, D., Deo, K. A., Jhan, Y. Y., Gaharwar, A. K., Bishop, C. J. Nanoengineered Light-Activatable Polybubbles for On?Demand Therapeutic Delivery. Adv. Funct. Mater. , 2003579 (2020).
- Wuthrich, P., Ng, S. Y., Fritzinger, B. K., Roskos, K. V., Heller, J. Pulsatile and delayed release of lysozyme from ointment-like poly(ortho esters). Journal of Controlled Release. 21 (1), 191-200 (1992).
- Wang, W. Instability, stabilization, and formulation of liquid protein pharmaceuticals. International Journal of Pharmaceutics. 185 (2), 129-188 (1999).
- Wong, D. Y., Hollister, S. J., Krebsbach, P. H., Nosrat, C. Poly(epsilon-caprolactone) and poly (L-lactic-co-glycolic acid) degradable polymer sponges attenuate astrocyte response and lesion growth in acute traumatic brain injury. Tissue Engineering. 13 (10), 2515-2523 (2007).
- Davoodi, P., et al. Drug delivery systems for programmed and on-demand release. Advanced Drug Delivery Reviews. 132, 104-138 (2018).
- Huang, Y. C., Lei, K. F., Liaw, J. W., Tsai, S. W. The influence of laser intensity activated plasmonic gold nanoparticle-generated photothermal effects on cellular morphology and viability: a real-time, long-term tracking and monitoring system. Photochemical and Photobiological Sciences. 18 (6), 1419-1429 (2019).
- Link, S., Burda, C., Nikoobakht, B., El-Sayed, M. A. Laser-Induced Shape Changes of Colloidal Gold Nanorods Using Femtosecond and Nanosecond Laser Pulses. The Journal of Physical Chemistry B. 104 (26), 6152-6163 (2000).
- . Chlorine Available from: https://www.epa.gov/sites/production/files/2016-09/documents/chlorine.pdf (2000)
