Productie van near-infrared sensitive, Core-Shell Vaccine Delivery Platform
Summary
Dit artikel beschrijft de protocollen die worden gebruikt om een nieuw vaccin levering platform te produceren, “polybubbles,” om vertraagde burst release mogelijk te maken. Polyesters, waaronder poly(melk-co-glycolzuur) en polycaprolactone werden gebruikt om de polybubbles te vormen en kleine moleculen en antigeen werden gebruikt als lading.
Abstract
Strategieën voor de afgifte van vaccins die de blootstelling van lading aan organisch oplosmiddel kunnen beperken en tegelijkertijd nieuwe releaseprofielen mogelijk maken, zijn cruciaal voor het verbeteren van de vaccinatiedekking wereldwijd. Hier wordt een nieuwe injecteerbare, ultraviolet-te genezen en vertraagde burst release- waardoor vaccin levering platform genaamd polybubbles geïntroduceerd. Lading werd geïnjecteerd in polybubbles op basis van polyester die werden gevormd in 10% carboxymethycellulose-gebaseerde wateroplossing. Dit papier bevat protocollen om de bolvormige vorm van de polybellen te behouden en de plaatsing en retentie van de lading te optimaliseren om de hoeveelheid lading binnen de polybubbles te maximaliseren. Om de veiligheid te garanderen, werd het gechloreerde oplosmiddelgehalte binnen de polybubbles geanalyseerd met behulp van neutronenactiveringsanalyse. Release studies werden uitgevoerd met kleine moleculen als lading in de polybubble om vertraagde burst release te bevestigen. Om het potentieel voor on-demand levering van de lading verder te laten zien, werden gouden nanorods gemengd in de polymeerschaal om nabij-infraroodlaseractivering mogelijk te maken.
Introduction
Beperkte vaccinatie dekking resulteert in de dood van 3 miljoen mensen specifiek veroorzaakt door vaccin-vermijdbare ziekten1. Ontoereikende opslag- en transportomstandigheden leiden tot verspilling van functionele vaccins en dragen zo bij tot een verminderde wereldwijde vaccinatie. Bovendien veroorzaakt onvolledige vaccinatie als gevolg van het niet naleven van de vereiste vaccinschema’s ook een beperkte vaccinatiedekking, met name in ontwikkelingslanden2. Meerdere bezoeken aan medisch personeel zijn vereist binnen de aanbevolen periode voor het ontvangen van booster shots, waardoor het percentage van de bevolking met volledige vaccinatie te beperken. Daarom is er behoefte aan het ontwikkelen van nieuwe strategieën voor gecontroleerde vaccinlevering om deze uitdagingen te omzeilen.
De huidige inspanningen voor de ontwikkeling van technologieën voor de levering van vaccins omvatten polymere systemen op basis van emulsie3,4. Vracht wordt echter vaak blootgesteld aan een grotere hoeveelheid organisch oplosmiddel die aggregatie en denaturatie kan veroorzaken, met name in het kader van op eiwitten gebaseerde lading5,6. We hebben een nieuw platform voor de levering van vaccins ontwikkeld, “polybubbles”, dat mogelijk meerdere laadcompartimenten kan huisvesten terwijl het volume van de lading die wordt blootgesteld aan oplosmiddel7minimaliseert. Bijvoorbeeld, in onze polybubble core-shell platform, een cargo zak van diameter 0,38 mm (SEM) wordt geïnjecteerd in het midden van een 1 mm polybubble. In dit geval zou de oppervlakte van lading die aan organisch oplosmiddel wordt blootgesteld ongeveer 0,453 mm2bedragen . Na het overwegen van de verpakkingsdichtheid van bollen (microdeeltjes) in een bol (vrachtdepot), bedraagt het werkelijke volume van microdeeltjes (10 μm in diameter) die in het depot passen 0,17 mm3. Het volume van een microdeeltje is 5.24×10-8 mm3 en dus het aantal deeltjes microdeeltjes die het depot passen is ~ 3.2×106 deeltjes. Als elk microdeeltje 20 laadzakken heeft (als gevolg van dubbele emulsie) met een diameter van 0,25 μm, bedraagt het oppervlak van lading dat aan organisch oplosmiddel is blootgesteld 1274 mm2. Cargo depot binnen de polybubble zou dus ~ 2800-voudige minder oppervlakte blootgesteld aan organische oplosmiddel in vergelijking met die van organische oplosmiddel blootgestelde lading in microdeeltjes. Ons op polyester gebaseerde platform kan zo de hoeveelheid lading die aan organisch oplosmiddel wordt blootgesteld, verminderen, wat anders ladingaggreggregatie en instabiliteit kan veroorzaken.
Polybubbles worden gevormd op basis van fasescheiding principe waarbij het polyester in organische fase wordt geïnjecteerd in een waterige oplossing wat resulteert in een bolvormige zeepbel. Lading in de waterige fase kan vervolgens worden geïnjecteerd in het midden van de polybubble. Een andere laadruimte kan mogelijk worden bereikt binnen de polybubble door het mengen van een andere lading met het polymeer shell. De polybubble in dit stadium zal kneedbaar zijn en zal dan worden genezen om te resulteren in een solide polybubble structuur met lading in het midden. Sferische polybellen werden gekozen boven andere geometrische vormen om de laadcapaciteit binnen de polybubble te verhogen en tegelijkertijd de totale grootte van de polybubble te minimaliseren. Polybubbles met lading in het centrum werden gekozen om vertraagde burst release aan te tonen. Polybubbles werden ook opgenomen met nabij-infrarood (NIR)- gevoelig (d.w.z. theranostisch inschakelend) middel, namelijk gouden nanorods (AuNR), om een stijging van de temperatuur van de polybubbles te veroorzaken. Dit effect kan mogelijk een snellere afbraak vergemakkelijken en kan worden gebruikt voor het beheersen van kinetiek in toekomstige toepassingen. In dit artikel beschrijven we onze benadering van het vormen en karakteriseren van polybubbles, om vertraagde burst release van de polybubbles te bereiken, en om AuNR op te nemen in de polybubbles om NIR-activering te veroorzaken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Huidige technologieën en uitdagingen
Emulsie-gebaseerde micro- en nanodeeltjes zijn vaak gebruikt als drug levering dragers. Hoewel de release kinetiek van de lading van deze apparaten zijn uitgebreid bestudeerd, het regelen van burst release kinetiek is een grote uitdaging11. De veelzijdigheid en functionaliteit van de lading zijn ook beperkt in emulsiesystemen als gevolg van de blootstelling van lading aan overtollige waterige en organische oplosmiddelen. Op eiwitten gebasee…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We willen dr. Bryan E. Tomlin bedanken die verbonden is aan het elemental analysis lab binnen de afdeling chemie van TAMU die assisteerde bij de neutronenactiveringsanalyse (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)
