Produksjon av nær-infrarød sensitiv, Core-Shell vaksine levering plattform
Summary
Denne artikkelen beskriver protokollene som brukes til å produsere en ny vaksine levering plattform, “polybubbles,” for å muliggjøre forsinket burst utgivelse. Polyester, inkludert poly(melkesyre-co-glykolsyre) og polykaptrokton ble brukt til å danne polybobbles og små molekyler og antigen ble brukt som last.
Abstract
Vaksineleveringsstrategier som kan begrense eksponeringen av last til organisk løsningsmiddel samtidig som nye utgivelsesprofiler er avgjørende for å forbedre immuniseringsdekningen over hele verden. Her introduseres en ny injiserbar, ultrafiolett herdbar og forsinket burst release- slik at vaksineleveringsplattform kalt polybobler innføres. Last ble injisert i polyesterbaserte polybobbles som ble dannet i 10% karboksymethycellulose-basert vandig løsning. Dette papiret inneholder protokoller for å opprettholde sfærisk form av polyboblene og optimalisere lastplassering og oppbevaring for å maksimere mengden last i polyboblene. For å sikre sikkerheten ble klorert løsemiddelinnhold i polyboblene analysert ved hjelp av nøytronaktiveringsanalyse. Utgivelsesstudier ble utført med små molekyler som last i polybubble for å bekrefte forsinket burst release. For ytterligere å vise potensialet for on-demand levering av lasten, gull nanorods ble blandet i polymer skallet for å muliggjøre nær-infrarød laser aktivering.
Introduction
Begrenset immuniseringsdekning resulterer i at 3 millioner mennesker er spesielt forårsaket av vaksineforekomstssykdommer1. Utilstrekkelige lagrings- og transportforhold fører til svie av funksjonelle vaksiner og bidrar dermed til redusert global immunisering. I tillegg forårsaker ufullstendig vaksinasjon på grunn av ikke å følge de nødvendige vaksineplanene også begrenset vaksinedekning, spesielt i utviklingsland2. Flere besøk til medisinsk personell er nødvendig innen den anbefalte perioden for å motta boosterskudd, og dermed begrense prosentandelen av befolkningen med fullstendig vaksinasjon. Derfor er det behov for å utvikle nye strategier for kontrollert vaksinelevering for å omgå disse utfordringene.
Nåværende innsats for å utvikle vaksineleveringsteknologier inkluderer emulsjonsbaserte polymersystemer3,,4. Lasten er imidlertid ofte utsatt for større mengde organisk løsemiddel som potensielt kan forårsake aggregering og denaturation, spesielt i sammenheng med proteinbasert last5,,6. Vi har utviklet en ny vaksine levering plattform, “polybubbles”, som potensielt kan huse flere lasterom samtidig minimere volumet av last som er utsatt for løsemiddel7. For eksempel, i vår polybubble kjerne-shell plattform, injiseres en lastlomme med diameter 0,38 mm (SEM) i midten av en 1 mm polybubble. I dette tilfellet vil overflateareal av last utsatt for organisk løsemiddel være ca. 0,453 mm2. Etter å ha vurdert pakningstettheten av kuler (mikropartikler) innenfor en sfære (lastedepot), er det faktiske volumet av mikropartikler (10 μm i diameter) som kan passe inn i depotet 0,17 mm3. Volumet av en mikropartikkel er 5,24×10-8 mm3 og dermed antall partikler mikropartikler som kan passe depotet er ~ 3.2×106 partikler. Hvis hver mikropartikkel har 20 lastelommer (som følge av dobbel-emulsjon) på 0,25 μm diameter, er overflaten av last utsatt for organisk løsemiddel 1274 mm2. Cargo depot innenfor polybubble dermed ville ha ~ 2800 ganger mindre overflateareal utsatt for organisk løsemiddel sammenlignet med organisk løsemiddel-eksponert last i mikropartikler. Vår polyesterbaserte plattform kan dermed potensielt redusere mengden last utsatt for organisk løsemiddel som ellers kan forårsake lastaggregasjon og ustabilitet.
Polybobbles dannes basert på faseseparasjonsprinsipp hvor polyesteren i organisk fase injiseres i en vandig løsning som resulterer i en sfærisk boble. Last i vandig fase kan deretter injiseres i midten av polybubble. Et annet lasterom kan potensielt oppnås i polybubble ved å blande en annen last med polymerskallet. Polybubble på dette stadiet vil være formbar og vil da bli kurert for å resultere i en solid polybubble struktur med last i midten. Sfæriske polybobler ble valgt fremfor andre geometriske former for å øke lastekapasiteten i polybubble samtidig som den totale størrelsen på polybubble. Polybubbles med last i sentrum ble valgt for å demonstrere forsinket burst release. Polybubbles ble også innlemmet med nær infrarød (NIR)- følsom (det vil si theranostic-aktivering) agent, nemlig gull nanorods (AuNR), for å forårsake økning i temperaturen på polyboblene. Denne effekten kan potensielt legge til rette for raskere nedbrytning og kan brukes til å kontrollere kinetikk i fremtidige applikasjoner. I dette papiret beskriver vi vår tilnærming til å danne og karakterisere polybobler, for å oppnå forsinket burst utgivelse fra polyboblene, og å innlemme AuNR i polyboblene for å forårsake NIR-aktivering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dagens teknologier og utfordringer
Emulsjonsbaserte mikro- og nanopartikler har blitt ofte brukt som legemiddelleveringsbærere. Selv om utgivelsen kinetikk av lasten fra disse enhetene har blitt grundig studert, kontrollere burst release kinetikk har vært en stor utfordring11. Last allsidighet og funksjonalitet er også begrenset i emulsjonsbaserte systemer på grunn av eksponering av last til overskytende vandige og organiske løsemidler. Proteinbasert last er ofte ikke komp…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gjerne takke Dr. Bryan E. Tomlin tilknyttet elementanalyselaboratoriet i kjemiavdelingen ved TAMU som hjalp til med nøytronaktiveringsanalysen (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)
