Herstellung einer Nahinfrarot-empfindlichen Core-Shell-Impfstoff-Bereitstellungsplattform
Summary
Dieser Artikel beschreibt die Protokolle, die verwendet werden, um eine neuartige Impfstoffbereitstellungsplattform, “Polybubbles”, zu erstellen, um eine verzögerte Burst-Freisetzung zu ermöglichen. Polyester einschließlich Poly (Milch-Co-Glykolsäure) und Polycaprolacton wurden verwendet, um die Polybubbleen zu bilden und kleine Moleküle und Antigen wurden als Ladung verwendet.
Abstract
Impfstoffabgabestrategien, die die Exposition von Fracht gegenüber organischen Lösungsmitteln begrenzen und gleichzeitig neuartige Freisetzungsprofile ermöglichen, sind entscheidend für die Verbesserung der Impfabdeckung weltweit. Hier wird eine neuartige injizierbare, ultraviolett-heilbare und verzögerte Burst-Release-plattform namens Polybubbles eingeführt. Cargo wurde in Polyester-basierte Polybubbles injiziert, die in 10% Carboxymethycellulose-basierter wässriger Lösung gebildet wurden. Dieses Papier enthält Protokolle, um die sphärische Form der Polybubbles beizubehalten und die Ladungsplatzierung und -aufbewahrung zu optimieren, um die Frachtmenge innerhalb der Polybubbles zu maximieren. Um die Sicherheit zu gewährleisten, wurden die chlorierten Lösungsmittelingehalte innerhalb der Polybubbleen mittels Neutronenaktivierungsanalyse analysiert. Release-Studien wurden mit kleinen Molekülen als Ladung innerhalb der Polybubble durchgeführt, um eine verzögerte Burst-Freisetzung zu bestätigen. Um das Potenzial für die On-Demand-Lieferung der Ladung weiter aufzuzeigen, wurden Gold-Nanostäbe in der Polymerhülle gemischt, um eine Nahinfrarot-Laseraktivierung zu ermöglichen.
Introduction
Begrenzte Impfabdeckung führt zum Tod von 3 Millionen Menschen, die speziell durch durch Impfung vermeidbareKrankheiten1 verursacht werden. Unzureichende Lagerungs- und Transportbedingungen führen zur Verschwendung funktioneller Impfstoffe und tragen so zu einer reduzierten globalen Immunisierung bei. Darüber hinaus führt eine unvollständige Impfung aufgrund der Nichteinhaltung der erforderlichen Impfpläne auch zu einer begrenzten Impfabdeckung, insbesondere in Entwicklungsländern2. Innerhalb des empfohlenen Zeitraums sind mehrere Besuche des medizinischen Personals erforderlich, um Booster-Shots zu erhalten, wodurch der Prozentsatz der Bevölkerung mit vollständiger Impfung begrenzt wird. Daher müssen neue Strategien für die kontrollierte Impfstoffabgabe entwickelt werden, um diese Herausforderungen zu umgehen.
Zu den derzeitigen Bemühungen um die Entwicklung von Impfstoffabgabetechnologien gehören emulsionsbasierte Polymersysteme3,4. Die Ladung ist jedoch häufig einer größeren Menge an organischem Lösungsmittel ausgesetzt, die potenziell Aggregation und Denaturierung verursachen kann, insbesondere im Zusammenhang mitproteinbasierterLadung 5,6. Wir haben eine neuartige Impfstoff-Lieferplattform entwickelt, “Polybubbles”, die potenziell mehrere Laderäume beherbergen kann, während das Frachtvolumen, das dem Lösungsmittel7ausgesetzt ist, minimiert wird. In unserer Polybubble-Kernschalenplattform wird beispielsweise eine Ladetasche mit einem Durchmesser von 0,38 mm (SEM) in die Mitte einer 1 mm Polybubble injiziert. In diesem Fall würde die Fläche der Ladung, die organischem Lösungsmittel ausgesetzt ist, etwa 0,453 mm2betragen. Nach Berücksichtigung der Packungsdichte von Kugeln (Mikropartikeln) innerhalb einer Kugel (Cargo Depot) beträgt das tatsächliche Volumen der Mikropartikel (10 m Durchmesser), die in das Depot passen könnten, 0,17 mm3. Das Volumen eines Mikropartikels beträgt 5,24×10-8 mm3 und somit beträgt die Anzahl der Partikel, die in das Depot passen können, 3,2×106 Partikel. Wenn jedes Mikropartikel 20 Ladetaschen (als Ergebnis einer Doppelemulsion) mit einem Durchmesser von 0,25 m hat, beträgt die Fläche der Ladung, die organischem Lösungsmittel ausgesetzt ist, 1274 mm2. Das Frachtdepot innerhalb der Polybubble hätte somit eine 2800-fach geringere Oberfläche, die organischem Lösungsmittel ausgesetzt wäre als organischer lösungsmittelexponierter Ladung in Mikropartikeln. Unsere Plattform auf Polyesterbasis kann somit die Menge der Fracht, die organischen Lösungsmitteln ausgesetzt ist, potenziell reduzieren, was andernfalls zu Ladungsaggregation und Instabilität führen kann.
Polybubbleen werden nach dem Phasentrennprinzip gebildet, bei dem das Polyester in organischer Phase in eine wässrige Lösung injiziert wird, was zu einer kugelförmigen Blase führt. Fracht in der wässrigen Phase kann dann in die Mitte der Polybubble injiziert werden. Ein weiterer Laderaum kann möglicherweise innerhalb der Polybubble erreicht werden, indem eine andere Ladung mit der Polymerhülle vermischt wird. Die Polybubble in diesem Stadium wird formbar sein und dann ausgehärtet werden, um eine solide Polybubble Struktur mit Ladung in der Mitte zu führen. Sphärische Polybubbles wurden gegenüber anderen geometrischen Formen gewählt, um die Ladekapazität innerhalb der Polybubble zu erhöhen und gleichzeitig die Gesamtgröße der Polybubble zu minimieren. Polybubbles mit Ladung in der Mitte wurden ausgewählt, um eine verzögerte Burst-Release zu demonstrieren. Polybubbleen wurden auch mit einem Nahinfrarot-(NIR)-empfindlichen (d. h. theranostisch-fähigen) Mittel, nämlich Gold-Nanostäben (AuNR), eingebaut, um eine Temperaturerhöhung der Polybubbleen zu verursachen. Dieser Effekt könnte möglicherweise einen schnelleren Abbau erleichtern und zur Steuerung der Kinetik in zukünftigen Anwendungen verwendet werden. In diesem Artikel beschreiben wir unseren Ansatz, Polybubbleen zu formen und zu charakterisieren, eine verzögerte Burstfreisetzung aus den Polybubbleen zu erreichen und AuNR in die Polybubbles zu integrieren, um eine NIR-Aktivierung zu verursachen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aktuelle Technologien und Herausforderungen
Emulsionsbasierte Mikro- und Nanopartikel wurden häufig als Träger von Arzneimittelzufuhrenthalten verwendet. Obwohl die Freisetzungskinetik der Ladung von diesen Geräten ausgiebig untersucht wurde, war die Steuerung der Burst-Release-Kinetik eine große Herausforderung11. Die Vielseitigkeit und Funktionalität von Fracht ist auch bei Emulsionssystemen eingeschränkt, da die Ladung übermäßig wässrigen und organischen Lösungsmi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Dr. Bryan E. Tomlin, der dem Elementaranalyselabor der TAMU angeschlossen ist und bei der Neutronenaktivierungsanalyse (NAA) geholfen hat.
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 |
References
- . 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)
