Modulerende vorm van polymersomen op polyesterbasis met osmotische druk
Summary
Polymersomen zijn zelfgeassembleerde polymere blaasjes die worden gevormd in bolvormige vormen om Gibb’s Free Energy te minimaliseren. In het geval van medicijnafgifte zijn meer langwerpige structuren gunstig. Dit protocol stelt methoden vast om meer staafachtige polymersomen te maken, met langwerpige beeldverhoudingen, waarbij zout wordt gebruikt om osmotische druk te induceren en interne blaasvolumes te verminderen.
Abstract
Polymersomen zijn membraangebonden, tweelaagse blaasjes gemaakt van amfifiele blokcopolymeren die zowel hydrofobe als hydrofiele ladingen kunnen inkapselen voor toepassingen van medicijnafgifte. Ondanks hun belofte zijn polymersomen beperkt in toepassing vanwege hun bolvorm, die niet gemakkelijk wordt opgenomen door cellen, zoals aangetoond door solide nanodeeltjeswetenschappers. Dit artikel beschrijft een op zout gebaseerde methode voor het verhogen van de beeldverhoudingen van bolvormige poly(ethyleenglycol) (PEG)-gebaseerde polymersomen. Deze methode kan polymersomen verlengen en uiteindelijk hun uiteindelijke vorm controleren door natriumchloride toe te voegen aan dialyse na de vorming. De zoutconcentratie kan, zoals beschreven in deze methode, worden gevarieerd op basis van de hydrofobiciteit van het blokcopolymeer dat wordt gebruikt als basis voor het polymere en de doelvorm. Langwerpige nanodeeltjes hebben het potentieel om het endotheel beter te richten in bloedvaten met een grotere diameter, zoals aderen, waar marges worden waargenomen. Dit protocol kan therapeutische nanodeeltjestoepassingen uitbreiden door gebruik te maken van rektechnieken in combinatie met de dubbelbelading, lang circulerende voordelen van polymersomen.
Introduction
Vormmodulatie is een relatief nieuwe en efficiënte manier om de levering van nanodeeltjes te verbeteren. De verandering in de morfologie vergroot niet alleen het oppervlak van deeltjes, wat op zijn beurt een grotere draagkracht mogelijk maakt, maar het heeft ook implicaties over de hele linie om de stabiliteit, circulatietijd, biologische beschikbaarheid, moleculaire targeting en gecontroleerde afgifte te verbeteren1. Polymersomen, het nanodeeltje van focus in deze methode, hebben de neiging om thermodynamisch zelf te assembleren in een bolvorm, die onpraktisch is gebleken bij cellulaire opname en gemakkelijker wordt gedetecteerd in het immuunsysteem als een vreemd lichaam. Het kunnen verlengen van de structuur in een prolaat of een staaf zal de medicijndrager in staat stellen macrofagen te ontwijken door inheemse cellen na te bootsen en met meer succes te leveren aan hun gewenste doel2,3,4,5,6,7. De significante voordelen van polymersomen, met inbegrip van membraan-gebonden bescherming van ladingen, stimuli-responsiviteit van het membraan, en dubbele inkapseling van hydrofiele en hydrofobe geneesmiddelen8,9,10, die hen sterke kandidaten voor druglevering maken worden gehandhaafd tijdens vormmodulatie.
Er zijn veel verschillende methoden in het moduleren van polymersomen vormen, en elk wordt geleverd met zijn respectieve voor- en nadelen. De meeste van deze methoden vallen echter in twee categorieën: oplosmiddelgestuurde en zoutgestuurde osmotische drukverandering11. Beide benaderingen zijn gericht op het overwinnen van de buigenergie die aanwezig is nadat polymersomen in een bolvormige evenwichtsvorm zijn gevormd. Door een osmotische drukgradiënt in te voeren, kunnen polymersomen worden gedwongen om in langwerpige structuren te buigen, ondanks sterke buigenergieën11,12.
De solvent-based methode onderzoekt vormverandering geïnspireerd op het werk van Kim en van Hest13. Ze plastificeerde polymersomen in een organisch oplosmiddel- en watermengsel om de organische oplosmiddelen in het blaasjesmembraan te vangen en water uit de blaaskern te drijven. Uiteindelijk is het interne volume van het deeltje zo laag dat het zich verlengt. Hoewel deze methode veelbelovend is gebleken, mist het bruikbaarheid. Deze methode vereist verschillende oplosmiddelen voor elke afzonderlijke polymere ruggengraat die betrokken is bij de modulatie. Daarom is het niet algemeen toepasbaar om vormverandering te bevorderen. Omgekeerd is de op zout gebaseerde methode uniform en maakt gebruik van één universele driver die osmotische druk kan introduceren bij veel polymersomen op basis van blokcopolymeer.
Dit project maakt gebruik van de zoutgebaseerde methode geïntroduceerd door L’Amoreaux et al14. Dit protocol omvat twee dialyserondes. Men streeft naar het zuiveren en stollen van poly(ethyleenglycol)-b-poly(melkzuur) (PEG-PLA) polymersomen door organisch oplosmiddel te verwijderen dat tijdens de productie in de tweelaagse kan zijn vastgelopen, en een oplosmiddel dat de vormverandering bevordert. De tweede dialysestap introduceert een 50 mM NaCl-oplossing die een osmotische drukgradiënt creëert om de vormverandering aan te drijven. Deze methode wordt ondersteund door Salva et al., die opmerken dat hypertonische stress in een oplossing ervoor zorgt dat het blaasjekrimpt 15. Deze methode bouwt voort op een eerder gepubliceerde methode14 die kijkt naar twee verschillende polymersomen op polyesterbasis en verschillende zoutgradiënten van 50-200 mM NaCl. Polyesters worden gebruikt vanwege hun biologischecompatibiliteit en biologische afbraak. De zoutgradiënt heeft verschillende effecten op de vorm, afhankelijk van de hydrofobiciteit van de blokcopolymeer backbone. Het kan worden gebruikt om prolaten, staven en stomatocyten te maken. Deze zoutgestuurde methode werd gekozen vanwege het gemak van replicatie en experimentele veelzijdigheid.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zelfgemonteerde systemen zijn notoir oncontroleerbaar. Hun uiteindelijke eigenschappen, waaronder grootte, vorm en structuur, worden gedreven door de hydrofobe eigenschappen van de gekozen amfifiel en de gekozen oplosmiddelomgeving. Amfifiele blokcopolymeren neigen naar bolvormige vormen, die gibb’s vrije energie minimaliseren en leidt tot het thermodynamische evenwicht23, waardoor polymersomen worden gevormd. Vanwege hun evenwichtskarakter zijn polymersomen aanzienlijk uitdagender om te verlengen…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit project werd gedeeltelijk gefinancierd door de National Institutes of Health Project nummer 5P20GM103499-19 via het Student Initiated Research Project Program. Dit werk werd ook gedeeltelijk ondersteund door Clemson’s Creative Inquiry Program. We erkennen ook Nicholas L’Amoreaux en Aon Ali die aanvankelijk werkten aan het maken van dit protocol, het publiceren van hun eerste artikel hier geciteerd14.
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).
