Osmotik Basınç Kullanarak Polyester Bazlı Polimeromların Modülasyon Şekli
Summary
Polimeromlar, Gibb’in Serbest Enerjisini en aza indirmek için küresel şekillerde oluşturulan kendi kendine monte edilmiş polimerik veziküllerdir. İlaç teslimi durumunda, daha uzun yapılar faydalıdır. Bu protokol, ozmotik basıncı teşvik etmek ve iç veziklin hacimlerini azaltmak için tuz kullanarak uzun en boy oranlarına sahip daha çubuk benzeri polimeromlar oluşturmak için yöntemler oluşturur.
Abstract
Polimeromlar, ilaç dağıtım uygulamaları için hem hidrofobik hem de hidrofilik yükleri kapsülleyebilen amfifilik blok koalizörlerden oluşturulan membran bağlı, bilayer veziküllerdir. Sözlerine rağmen, polimeromlar, katı nanopartikül bilim adamları tarafından gösterildiği gibi hücreler tarafından kolayca alınmayan küresel şekilleri nedeniyle uygulamada sınırlıdır. Bu makalede, küresel poli(etilen glikol) (PEG) bazlı polimeromların en boy oranlarını artırmak için tuz bazlı bir yöntem açıklanmaktadır. Bu yöntem polimeromları uzatabilir ve sonuçta oluşum sonrası diyalize sodyum klorür ekleyerek son şekillerini kontrol edebilir. Tuz konsantrasyonu, bu yöntemde açıklandığı gibi, polimerom ve hedef şekil için temel olarak kullanılan blok koalizerinin hidrofobikliğine dayanarak değiştirilebilir. Uzun nanopartiküller, kenar boşluğunun gözlendiği damarlar gibi daha büyük çaplı kan damarlarında endotelleri daha iyi hedefleme potansiyeline sahiptir. Bu protokol, polimeromların çift yüklemeli, uzun süre dolaşan yararları ile birlikte uzama tekniklerini kullanarak terapötik nanopartikül uygulamalarını genişletebilir.
Introduction
Şekil modülasyonu, nanopartikül aracılı ilaç dağıtımını iyileştirmenin nispeten yeni ve verimli bir yoludur. Morfolojideki değişiklik sadece parçacıkların yüzey alanını artırmakla kalmaz, bu da daha fazla taşıma kapasitesi sağlar, aynı zamanda stabiliteyi, dolaşım süresini, biyoyararlanımı, moleküler hedeflemeyi ve kontrollü salınımı iyileştirmek için tahta genelinde etkileri vardır1. Bu yöntemdeki odak nanopartikül olan polimeromlar, hücresel alımda pratik olmadığı kanıtlanmış ve yabancı bir cisim olarak bağışıklık sisteminde daha kolay tespit edilen termodinamik olarak kendi kendine küresel bir şekle dönüşme eğilimindedir. Yapıyı bir prolate veya çubuk haline getirebilmek, ilaç taşıyıcısının yerel hücreleri taklit ederek makrofajlardan kaçmasına ve istenen hedefe 2 , 3 , 4,5,6,7daha başarılı bir şekilde teslim etmesine izin verecektir. Membranlara bağlı yüklerin korunması, zarın uyaranlara yanıt vermesi ve hidrofilik ve hidrofobik ilaçların çift kapsüllenmesi de dahil olmak üzere polimeromların önemli yararları8,9,10, onları ilaç teslimatı için güçlü adaylar haline getiren şekil modülasyonu sırasında korunur.
Polimeromların şekillerini modüle etmede birçok farklı yöntem vardır ve her biri kendi avantajları ve dezavantajları ile birlikte gelir. Bununla birlikte, bu yöntemlerin çoğu iki kategoriye ayrılır: solvent tahrikli ve tuz tahrikli ozmotik basınç değişimi11. Her iki yaklaşım da polimeromlar küresel denge şeklinde oluştuktan sonra mevcut bükme enerjisinin üstesinden gelmeyi amaçlamaktadır. Osmotik basınç gradyanı getirilerek, polimeromlar güçlü bükme enerjilerine rağmen uzun yapılara bükülmeye zorlanabilir11,12.
Solvent tabanlı yöntem, Kim ve van Hest13’ünçalışmalarından esinlenerek şekil değişikliğini araştırıyor. Organik çözücüleri vezikül zarında hapsetmek ve suyu veziklin çekirdeğinden çıkarmak için organik bir çözücü ve su karışımında polimeromları plastikleştirdiler. Sonunda, parçacığın iç hacmi o kadar düşüktür ki, uzadı. Bu yöntem umut vaat etse de, pratiklikten yoksun. Bu yöntem, modülasyonda yer alan her bir polimerik omurga için farklı çözücüler gerektirir. Bu nedenle, şekil değişikliğini teşvik etmek yaygın olarak geçerli değildir. Tersine, tuz bazlı yöntem tekdüzedir ve birçok blok koolimer bazlı polimeromlara ozmotik basınç getirebilen tek bir evrensel sürücü kullanır.
Bu proje L’Amoreaux veark. Bu protokol iki tur diyaliz içeriyor. Biri, üretim sırasında bilayerde sıkışmış olabilecek organik çözücüyü çıkararak poli (etilen glikol)-b-poli(laktik asit) (PEG-PLA) polimeromlarını arındırmayı ve katılaştırmayı amaçlamaktadır ve şekil değişikliğini teşvik eder. İkinci diyaliz adımı, şekil değişimini sağlamak için ozmotik basınç gradyanı oluşturan 50 mM NaCl çözümünü sunar. Bu yöntem, bir çözeltideki hipertonik stresin veziklinin küçülmesine neden olacağını belirten Salva ve ark.,15. Bu yöntem, 50-200 mM NaCl’den iki farklı polyester bazlı polimerom ve çeşitli tuz gradyanlarına bakarak daha önce yayınlanan bir yöntem14 üzerine kuruludur. Polyesterler biyouyumları ve biyobozunurlukları nedeniyle kullanılır. Tuz gradyanı, blok koalyolimer omurgasının hidrofobikliğine bağlı olarak şekil üzerinde çeşitli etkilere sahiptir. Prolates, çubuklar ve stomatositler oluşturmak için kullanılabilir. Bu tuz tahrikli yöntem, replikasyon kolaylığı ve deneysel çok yönlülük nedeniyle seçildi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kendi kendine monte edilen sistemler kontrol edilemez. Boyut, şekil ve yapı dahil olmak üzere son özellikleri, seçilen amfifilin hidrofobik özellikleri ve seçilen çözücü ortamı tarafından tahrik edilir. Amfifilik blok koalize ediciler, Gibb’in serbest enerjisini en aza indiren ve termodinamik denge23’eyol açan küresel şekillere yönelir, böylece polimeromlar oluşturur. Denge doğası nedeniyle, polimeromların şekillerini uzatmak veya değiştirmek önemli ölçüde daha zordur …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu proje kısmen 5P20GM103499-19 numaralı Ulusal Sağlık Enstitüleri Projesi tarafından Öğrenci Başlatılan Araştırma Proje Programı aracılığıyla finanse edildi. Bu çalışma Clemson’ın Yaratıcı Sorgulama Programı tarafından da kısmen desteklendi. Ayrıca, başlangıçta bu protokolü oluşturmak için çalışan Nicholas L’Amoreaux ve Aon Ali’yi de kabul ediyoruz, ilk makalelerini buradayayınladılar 14.
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).
