Produktion av Near-Infraröd känslig, Core-Shell Vaccin Delivery Platform
Summary
Denna artikel beskriver de protokoll som används för att producera en ny vaccin leverans plattform, “polybubbles,” för att möjliggöra fördröjd burst release. Polyesters inklusive poly(mjölksyra-co-glykolsyra) och polycaprolactone användes för att bilda polybubbles och små molekyler och antigen användes som last.
Abstract
Vaccin leveransstrategier som kan begränsa exponeringen av last till organiskt lösningsmedel samtidigt som nya release profiler är avgörande för att förbättra immunisering täckning över hela världen. Här introduceras en ny injicerbar, ultraviolett och fördröjd burst release- möjliggörande vaccinleveransplattform som kallas polybubblor. Cargo injicerades i polyesterbaserade polybubblor som bildades i 10% karboxymethycellulosa -baserad vattenlösning. Detta papper innehåller protokoll för att upprätthålla sfärisk form av polybubblor och optimera lastplacering och retention för att maximera mängden last inom polybubbles. För att garantera säkerheten analyserades klorerade lösningsmedel innehåll inom polybubbles med hjälp av neutron aktivering analys. Release studier genomfördes med små molekyler som last inom polybubble att bekräfta fördröjd burst release. För att ytterligare visa potentialen för on-demand leverans av lasten, guld nanorods blandades inom polymerskalet för att möjliggöra nära infraröd laseraktivering.
Introduction
Begränsad immunisering täckning resulterar i döden av 3 miljoner människor som särskilt orsakas av vaccin-förebyggas sjukdomar1. Otillräckliga lagrings- och transportförhållanden leder till att funktionella vacciner förser sig och bidrar därmed till minskad global immunisering. Dessutom orsakar ofullständig vaccination på grund av att inte följa de erforderliga vaccinschemana också begränsad vaccintäckning, särskilt i utvecklingsländer2. Flera besök hos medicinsk personal krävs inom den rekommenderade perioden för mottagning av booster skott, vilket begränsar andelen av befolkningen med fullständig vaccination. Därför finns det ett behov av att utveckla nya strategier för kontrollerad vaccinleverans för att kringgå dessa utmaningar.
De nuvarande insatserna för att utveckla vaccinleveransteknik omfattar emulsionsbaserade polymera system3,4. Lasten utsätts dock ofta för större mängd organiskt lösningsmedel som potentiellt kan orsaka aggregering och denaturering, närmare bestämt i samband med proteinbaserad last5,6. Vi har utvecklat en ny vaccin leverans plattform, “polybubbles”, som potentiellt kan hysa flera lastutrymmen samtidigt minimera volymen av last som är utsatt för lösningsmedel7. Till exempel, i vår polybubble kärna-skal plattform, en lastficka med diameter 0,38 mm (SEM) injiceras i mitten av en 1 mm polybubble. I detta fall skulle ytan på last som exponeras för organiskt lösningsmedel vara cirka 0,453 mm2. Efter att ha beaktat den förpackningstäthet av sfärer (mikropartiklar) inom en sfär (lastdepå), är den faktiska volymen av mikropartiklar (10 μm i diameter) som skulle kunna få plats i depån 0,17 mm3. Volymen på en mikropartikel är 5.24×10-8 mm3 och därmed antal partiklar mikropartiklar som kan passa depån är ~ 3.2×106 partiklar. Om varje mikropartikel har 20 lastfickor (till följd av dubbelemulsion) på 0,25 μm diameter, då är ytan på last som utsätts för organiskt lösningsmedel 1274 mm2. Lastdepå inom polybubblet skulle alltså ha ~2800-faldig mindre yta som exponeras för organiskt lösningsmedel jämfört med den hos organiskt lösningsmedelsexponerad last i mikropartiklar. Vår polyesterbaserade plattform kan därmed potentiellt minska mängden last som exponeras för organiskt lösningsmedel vilket annars kan orsaka lastaggregering och instabilitet.
Polybubbles bildas baserat på fasseparering princip där polyester i organisk fas injiceras i en vattenlösning som resulterar i en sfärisk bubbla. Last i vattenfasen kan sedan injiceras i mitten av polybubble. Ett annat lastutrymme kan potentiellt uppnås inom polybubblet genom att blanda en annan last med polymerskalet. Den polybubble i detta skede kommer att vara formbara och kommer sedan att botas för att resultera i en solid polybubble struktur med last i mitten. Sfäriska polybubbles valdes framför andra geometriska former för att öka lastkapaciteten inom polybubblet samtidigt som polybubblets totala storlek minimerades. Polybubbles med last i centrum valdes för att visa fördröjd burst release. Polybubbles införlivades också med nära infraröd (NIR)- känslig (dvs. theranostic-möjliggörande) agent, nämligen guld nanorods (AuNR), att orsaka ökning av temperaturen i polybubbles. Denna effekt skulle potentiellt kunna underlätta snabbare nedbrytning och kan användas för att kontrollera kinetik i framtida tillämpningar. I detta dokument beskriver vi vår strategi för att bilda och karakterisera polybubbles, för att uppnå fördröjd burst release från polybubbles, och att införliva AuNR inom polybubbles att orsaka NIR-aktivering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nuvarande teknik och utmaningar
Emulsionsbaserade mikro- och nanopartiklar har ofta använts som läkemedelsbärare. Även om release kinetik av lasten från dessa enheter har studerats ingående, kontrollera burst release kinetik har varit en stor utmaning11. Lastens mångsidighet och funktionalitet är också begränsad i emulsionsbaserade system på grund av exponeringen av last för överskott av vattenhaltiga och organiska lösningsmedel. Proteinbaserad last är ofta inte …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vill tacka Dr Bryan E. Tomlin anslutna till elementära analys labbet inom institutionen för kemi vid TAMU som bistod med neutronaktivering analys (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)
