צורה מווסתת של פוליאסטר מבוסס פולימרומים באמצעות לחץ אוסמוטי
Summary
פולימרים הם שלטי פולימרים מורכבים בעצמם שנוצרים בצורות כדוריות כדי למזער את האנרגיה החופשית של גיב. במקרה של אספקת סמים, מבנים מוארכים יותר מועילים. פרוטוקול זה קובע שיטות ליצירת פולימרים דמויי מוט יותר, עם יחסי רוחב-גובה מוארכים, תוך שימוש במלח כדי לגרום ללחץ אוסמוטי ולהפחית את נפחי ההדבקה הפנימית.
Abstract
פולימרים הם שלפוחיות דו-שכבתיות קשורות לממברנה שנוצרו מקופולימרים של בלוק אמפיפילי שיכולים לתמצת הן מטענים הידרופוביים והן מטען הידרופילי עבור יישומי אספקת תרופות. למרות ההבטחה שלהם, פולימרומים מוגבלים ביישום בשל צורתם הכדורית, אשר אינו נלקח בקלות על ידי תאים, כפי שהוכח על ידי מדעני ננו-חלקיקים מוצקים. מאמר זה מתאר שיטה מבוססת מלח להגדלת יחסי הגובה-רוחב של פולין גליקול כדורי (אתילן גליקול) (PEG)- פולימרים מבוססי PEG. שיטה זו יכולה להאריך פולימרים ובסופו של דבר לשלוט בצורתם הסופית על ידי הוספת נתרן כלורי בדיאליזה שלאחר היווצרות. ריכוז מלח יכול להיות מגוון, כמתואר בשיטה זו, בהתבסס על ההידרופוביה של קופולימר הבלוק המשמש כבסיס לפולימרים ולצורת היעד. חלקיקים מוארכים יש פוטנציאל טוב יותר למקד את אנדותל בכלי דם בקוטר גדול יותר, כמו ורידים, שבו השוליים הוא ציין. פרוטוקול זה יכול להרחיב יישומי ננו-חלקיקים טיפוליים על ידי שימוש בטכניקות התארכות בד בבד עם היתרונות של טעינה כפולה, במחזור ארוך של פולימרים.
Introduction
אפנון צורה הוא דרך חדשה ויעילה יחסית לשפר את אספקת התרופות בתיווך הננו-חלקיקים. לא רק שהשינוי במורפולוגיה מגדיל את שטח הפנים של החלקיקים, אשר בתורו מאפשר יכולת נשיאה גדולה יותר, אלא שיש לו גם השלכות על פני הלוח כדי לשפר את היציבות, זמן זרימת הדם, הזמינות הביולוגית, פילוח מולקולרי, ושחרור מבוקר1. פולימרומים, הננו-חלקיק של המיקוד בשיטה זו, נוטים להרכיב את עצמם באופן תרמודינמי לצורה כדורית, אשר הוכיחה את עצמה כבלתי מעשית בספיגה התאית ומזוהה בקלות רבה יותר במערכת החיסון כגוף זר. היכולת להאריך את המבנה לתוך פרולט או מוט תאפשר לנושא הסמים להתחמק מקרופאגים על ידי חיקוי תאים מקומיים ולספק בהצלחה רבה יותר ליעד הרצוישלהם 2,3,4,5,6,7. היתרונות המשמעותיים של פולימרים, כולל הגנה קשורה ממברנה של מטענים, גירוי-תגובה של הממברנה, אנקפסולציה כפולה של תרופות הידרופיליות הידרופוביות8,9,10, שהופכים אותם למועמדים חזקים לאספקת סמים נשמרים במהלך אפנון צורה.
ישנן שיטות רבות ושונות באפנון הצורות של פולימרים, וכל אחת מהן מגיעה עם היתרונות והחסרונות שלה. עם זאת, רוב השיטות האלה מתחלקות לשתי קטגוריות: שינוי לחץ אוסמוטי מונחה ממס ומלח11. שתי הגישות שואפות להתגבר על אנרגיית הכיפוף הקיימת לאחר שפולימרים נוצרים בצורת שיווי משקל כדורי. על ידי החדרת שיפוע לחץ אוסמוטי, ניתן לכפות על פולימרומים להתכופף למבנים מוארכים למרות אנרגיות כיפוף חזקות11,12.
השיטה מבוססת הממס בוחנת שינוי צורה בהשראת עבודתם של קים ואן האסט13. הם הפלילו פולימרומים בתערובת ממס ומים אורגנית כדי ללכוד את הממסים האורגניים בקרום הלסת ולהוציא מים ולליבה הארסית. בסופו של דבר, הנפח הפנימי של החלקיק כל כך נמוך שהוא מהאריך את האריך את הספירה. בעוד שיטה זו הוכיחה הבטחה, היא חסרה מעשיות. שיטה זו דורשת ממיסים שונים עבור כל עמוד שדרה פולימרי בודד המעורב אפנון. לכן, אין זה ישים באופן נרחב לקדם שינוי צורה. לעומת זאת, השיטה מבוססת המלח היא אחידה ומשתמשת בנהג אוניברסלי אחד שיכול להכניס לחץ אוסמוטי לרבים חוסמים פולימרים מבוססי קופולימר.
פרויקט זה משתמש בשיטה מבוססת מלח שהוצגה על ידי L’Amoreaux ואח’14. פרוטוקול זה כרוך בשני סבבים של דיאליזה. האחת שואפת לטהר ולגבש פולי (אתילן גליקול)-b-פולי (חומצה לקטית) (PEG-PLA) פולימרים על ידי הסרת ממס אורגני שאולי נלכד בשכבת הדו-שכבתית במהלך הייצור, ואחד שמקדם את שינוי הצורה. שלב הדיאליזה השני מציג פתרון NaCl של 50 מ”מ שיוצר מעבר צבע של לחץ אוסמוטי כדי להניע את שינוי הצורה. שיטה זו נתמכת על ידי Salva et al., אשר מציינים כי מתח היפרטוני בפתרון יגרום vesicle להתכווץ15. שיטה זו מתבססת על שיטה14 שפורסמה בעבר ומסתכלת על שני פולימרים שונים המבוססים על פוליאסטר ושיפועים שונים של מלח מ- NaCl 50-200 מ”מ. פוליאסטרים משמשים בשל תאימות ביולוגית שלהם מתכלה. שיפוע המלח יש השפעות שונות על הצורה בהתאם הידרופוביה של עמוד השדרה קופולימר בלוק. ניתן להשתמש בו ליצירת פרולטים, מוטות וסטומטוציטים. שיטה זו מונחה מלח נבחרה בגלל קלות השכפול ורבגוניות ניסיונית.
Protocol
Representative Results
Discussion
מערכות בהרכב עצמי ידועות לשמצה כבלתי נשלטות. המאפיינים הסופיים שלהם, כולל גודל, צורה ומבנה, מונעים על ידי המאפיינים ההידרופוביים של האמפיפיל שנבחר וסביבת הממס שנבחרה. קופולימרים בלוק אמפיפילי נוטים לכיוון צורות כדוריות, אשר ממזער את האנרגיה החופשית של גיב ומוביל שיווי משקל תרמודינמי<sup cla…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
פרויקט זה מומן בחלקו על ידי פרויקט המכונים הלאומיים לבריאות מספר 5P20GM103499-19 באמצעות תוכנית פרויקט המחקר היזום לסטודנטים. עבודה זו נתמכה גם בחלקה על ידי תוכנית החקירות היצירתיות של קלמסון. אנו מכירים גם ניקולס L’Amoreaux ו Aon עלי שעבד בתחילה על יצירת פרוטוקול זה, פרסום המאמר הראשון שלהם מצוטט כאן14.
Materials
| 15*45 vials screw thread w/cap attached | Fisherbrand | 9609104000 | |
| Dimethyl Sulfoxide | Fisher Chemical | D128-1 | |
| Dimethyl Sulfoxide | BDH | BDH1115-1LP | |
| Isoremp stirrers, hotplates, and stirring hotplates | Fisher scientific | CIC00008110V19 | |
| LEGATO 130 SYRINGE PUMP | kd Scientific | 788130 | |
| PEG(1000)-b-PLA(5000), Diblock Polymer | Polysciences Inc | 24381-1 | note the molecular weights when replicating |
| Poly(ethylene glycol) (2000) Methyl ether-block-poly(lactide-co-glycolide) (4500) | Sigma aldrich | 764825-1G | note the molecular weights when replicating |
| Single-Use Syringe/BD PrecisionGlide Needle combination, sterile, BD medical | BD medical | BD305620 | Tuberculin |
| Sodium Chloride | BDH | BDH9286 | |
| Zetasizer Nano ZS | Malvern |
Referências
- Varma, L. T., et al. Recent advances in self-assembled nanoparticles for drug delivery. Current Drug Delivery. 17 (4), 279-291 (2020).
- Salatin, S., Maleki Dizaj, S., Yari Khosroushahi, A. Effect of the surface modification, size, and shape on cellular uptake of nanoparticles. Cell Biology International. 39 (8), 881-890 (2015).
- Baio, J. E., et al. Reversible activation of pH-sensitive cell penetrating peptides attached to gold surfaces. Chemical Communications. 51 (2), 273-275 (2015).
- Zhou, Y., et al. Mesoporous silica nanoparticles for drug and gene delivery. Acta Pharmaceutica Sinica B. 8 (2), 165-177 (2018).
- Champion, J. A., Mitragotri, S. Role of target geometry in phagocytosis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (13), 4930-4934 (2006).
- Banerjee, A., Qi, J., Gogoi, R., Wong, J., Mitragotri, S. Role of nanoparticle size, shape and surface chemistry in oral drug delivery. Journal of Controlled Release. 238, 176-185 (2016).
- Kolhar, P., et al. Using shape effects to target antibody-coated nanoparticles to lung and brain endothelium. Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (26), 10753-10758 (2013).
- Meng, F., Zhong, Z., Feijen, J. Stimuli-responsive polymersomes for programmed drug delivery. Biomacromolecules. 10 (2), 197-209 (2009).
- Iqbal, S., Blenner, M., Alexander-Bryant, A., Larsen, J. Polymersomes for therapeutic delivery of protein and nucleic acid macromolecules: from design to therapeutic applications. Biomacromolecules. 21 (4), 1327-1350 (2020).
- Discher, D. E., Ahmed, F. Polymersomes. Annual review of biomedical engineering. 8, 323-341 (2006).
- Seifert, U., Berndl, K., Lipowsky, R. Shape transformations of vesicles: Phase diagram for spontaneous- Curvature and bilayer-coupling models. Physical Review A. 44 (2), 1182-1202 (1991).
- Rikken, R. S. M., et al. Shaping polymersomes into predictable morphologies via out-of-equilibrium self-assembly. Nature Communications. 7, 1-7 (2016).
- Kim, K. T., et al. Polymersome stomatocytes: Controlled shape transformation in polymer vesicles. Journal of the American Chemical Society. 132 (36), 12522-12524 (2010).
- L’Amoreaux, N., Ali, A., Iqbal, S., Larsen, J. Persistent prolate polymersomes for enhanced co-delivery of hydrophilic and hydrophobic drugs. Nanotechnology. 31 (17), 175103 (2020).
- Salva, R., et al. Polymersome shape transformation at the nanoscale. ACS Nano. 7 (10), 9298-9311 (2013).
- Skoczen, S. L., Stern, S. T. Characterization of Nanoparticles Intended for Drug Delivery. Methods in Molecular Biology. 1682, (2018).
- Bhattacharjee, S. DLS and zeta potential – What they are and what they are not. Journal of Controlled Release. 235, 337-351 (2016).
- Men, Y., Li, W., Lebleu, C., Sun, J., Wilson, D. A. Tailoring polymersome shape using the Hofmeister effect. Biomacromolecules. 21 (1), 89-94 (2020).
- Decuzzi, P., et al. Size and shape effects in the biodistribution of intravascularly injected particles. Journal of Controlled Release. 141 (3), 320-327 (2010).
- Liu, Y., Tan, J., Thomas, A., Ou-Yang, D., Muzykantov, V. R. The shape of things to come: Importance of design in nanotechnology for drug delivery. Therapeutic Delivery. 3 (2), 181-194 (2012).
- Tao, L., et al. Shape-specific polymeric nanomedicine: Emerging opportunities and challenges. Experimental Biology and Medicine. 236 (1), 20-29 (2011).
- L’Amoreaux, N., Ali, A., Iqbal, S., Larsen, J. Persistent prolate polymersomes for enhanced co-delivery of hydrophilic and hydrophobic drugs. BioRxiv. , 796201 (2019).
- Chandler, D. Interfaces and the driving force of hydrophobic assembly. Nature. 437 (7059), 640-647 (2005).
- Wong, C. K., Mason, A. F., Stenzel, M. H., Thordarson, P. Formation of non-spherical polymersomes driven by hydrophobic directional aromatic perylene interactions. Nature Communications. 8 (1), (2017).
- Abdelmohsen, L. K. E. A., et al. Shape characterization of polymersome morphologies via light scattering techniques. Polymer. 107, 445-449 (2016).
- Men, Y., et al. Nonequilibrium Reshaping of polymersomes via polymer addition. ACS Nano. 13 (11), 12767-12773 (2019).
- Meeuwissen, S. A., Kim, K. T., Chen, Y., Pochan, D. J., van Hest, J. C. M. Controlled shape transformation of polymersome stomatocytes. Angewandte Chemie. 123 (31), 7208-7211 (2011).
- Wong, C. K., et al. Faceted polymersomes: A sphere-to-polyhedron shape transformation. Chemical Science. 10 (9), 2725-2731 (2019).
- Chidanguro, T., Ghimire, E., Simon, Y. C. Shape-transformation of polymersomes from glassy and crosslinkable ABA triblock copolymers. Journal of Materials Chemistry B. 8 (38), 8914-8924 (2020).
- Van Oers, M. C. M., Rutjes, F. P. J. T., Van Hest, J. C. M. Tubular polymersomes: A cross-linker-induced shape transformation. Journal of the American Chemical Society. 135 (44), 16308-16311 (2013).
- Che, H., et al. Pathway dependent shape-transformation of azide-decorated polymersomes. Chemical Communications. 56 (14), 2127-2130 (2020).
- Haryadi, B. M., et al. Nonspherical nanoparticle shape stability is affected by complex manufacturing aspects: Its implications for drug delivery and targeting. Advanced Healthcare Materials. 8 (18), 11-13 (2019).
- Katterman, C., Pierce, C., Larsen, J. Combining nanoparticle shape modulation and polymersome technology in drug delivery. ACS Applied Bio Materials. , (2021).
