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Method Article
Le protocole présente les paramètres optimisés pour la préparation des liposomes thermosensibles à l’aide du dispositif microfluidique micromélangeur d’os de hareng décalé. Cela permet également la co-encapsulation de la doxorubicine et de l’indocyanine vert dans les liposomes et la libération photothermique déclenchée de doxorubicine pour la libération contrôlée / déclenchée de médicaments.
Le protocole présenté permet une préparation continue à haut débit de liposomes sensibles à basse température (LTSL), qui sont capables de charger des médicaments chimiothérapeutiques, tels que la doxorubicine (DOX). Pour ce faire, un mélange de lipides éthanoliques et une solution de sulfate d’ammonium sont injectés dans un micromélangeur à chevrons décalé (SHM) dispositif microfluidique. Les solutions sont rapidement mélangées par le SHM, offrant un environnement solvant homogène pour liposomes auto-assemblage. Les liposomes collectés sont d’abord annealed, puis dialysés pour enlever l’éthanol résiduel. Un pH-gradient de sulfate d’ammonium est établi par l’échange tampon de la solution externe en utilisant la chromatographie d’exclusion de taille. DOX est ensuite chargé à distance dans les liposomes avec une efficacité d’encapsulation élevée (-gt; 80%). Les liposomes obtenus sont homogènes en taille avec un diamètre moyen Z de 100 nm. Ils sont capables de libérer de DOX encapsulés en rafale séchage à température en présence d’une légère hyperthermie (42 oC). Le vert endocyanine (ICG) peut également être co-chargé dans les liposomes pour la libération de DOX laser-déclenché par l’infrarouge proche. L’approche microfluidique assure une préparation à haut débit, reproductible et évolutive des LTSL.
La formulation de LTSL est un produit liposomique cliniquement pertinent qui a été développé pour délivrer la doxorubicine de drogue chimiothérapeutique (DOX) et permet la libération efficace de drogue d’éclatement à l’hyperthermie douce médicalement accessible (T - 41 c)1. La formulation LTSL se compose de 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC), le lysolipid 1-stearoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (MSPC; M signifie "mono") et plébisémie PEGylated 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyéthylène glycol)-2000] (DSPE-PEG2000). En atteignant la température de transition de phase (Tm 41 oC), le lysolipid et le DSPE-PEG2000 facilitent ensemble la formation des pores membranaires, ce qui entraîne une libération par rafale du médicament2. La préparation des LTSL utilise principalement une approche descendante en vrac, à savoir l’hydratation et l’extrusion de films lipidiques. Il reste difficile de préparer de façon reproductible de grands lots avec des propriétés identiques et en quantités suffisantes pour des applications cliniques3.
La microfluidique est une technique émergente pour la préparation des liposomes, offrant la taille des nanoparticules, la reproductibilité et l’évolutivité3. Une fois les paramètres de fabrication optimisés, le débit pourrait être augmenté par la parallélisation, avec des propriétés identiques à celles préparées à l’échelle de banc3,4,5. Un avantage majeur de la microfluidique par rapport aux techniques conventionnelles en vrac est la capacité de gérer de petits volumes liquides avec une haute maniabilité dans l’espace et le temps grâce à la miniaturisation, permettant une optimisation plus rapide, tout en fonctionnant d’une manière continue et automatisée6. La production de liposomes avec des dispositifs microfluidiques est réalisée par une approche de nanoprécipitation ascendante, qui est plus efficace en temps et en énergie parce que les processus d’homogénéisation tels que l’extrusion et la sonication sont inutiles7. En règle générale, une solution organique (p. ex. l’éthanol) de lipides (et de charge utile hydrophobe) est mélangée à un non-solvant miscible (p. ex. l’eau et la charge utile hydrophile). Comme le solvant organique se mélange avec le non-solvant, la solubilité pour les lipides est réduite. La concentration lipidique atteint finalement une concentration critique au cours de laquelle le processus de précipitation est déclenché7. Les nanoprécipitates des lipides finissent par se développer en taille et se rapprocher dans un liposome. Les principaux facteurs régissant la taille et l’homogénéité des liposomes sont le rapport entre le non-solvant et le solvant (c.-à-d. rapport aqueux-organiques de débit ; FRR) et l’homogénéité de l’environnement solvant lors de l’auto-assemblage des lipides en liposomes8.
Un mélange efficace de fluides en microfluidique est donc essentiel à la préparation de liposomes homogènes, et diverses conceptions de mélangeurs ont été utilisées dans différentes applications9. Le micromélangeur à chevrons décalés (SHM) représente l’une des nouvelles générations de mélangeurs passifs, ce qui permet un débit élevé (à portée de mL/min) avec un faible facteur de dilution. Ceci est supérieur aux dispositifs de mélange hydrodynamique microfluidique s’ils sont traditionnels8,10. Le SHM a modelé des rainures d’os de hareng, qui mélangent rapidement des fluides par advection chaotique9,11. La courte échelle de temps de mélange de SHM (5 ms, soit moins que l’échelle de temps d’agrégation typique de 10 à 100 ms) permet à l’auto-assemblage des lipides de se produire dans un environnement solvant homogène, produisant des nanoparticules avec une distribution de taille uniforme3,12.
La préparation des LTSL avec la microfluidique n’est, cependant, pas aussi simple comparée aux formulations liposomiques conventionnelles dues au manque de cholestérol8, sans lequel les bicouches de lipide sont sensibles à l’interdigitation induite par l’éthanol13,14,15. Jusqu’à présent, l’effet de l’éthanol résiduel se présente lors de la production microfluidique de liposomes n’a pas été bien compris. La majorité des formulations rapportées sont intrinsèquement résistantes à l’interdigitation (contenant du cholestérol ou des lipides insaturés)16, qui, contrairement aux LTSL, sont à la fois saturées et sans cholestérol.
Le protocole présenté ici utilise SHM pour préparer les LTSL pour l’administration de médicaments à libération déclenchée par la température. Dans la méthode présentée, nous nous sommes assurés que les LTSL microfluidiques sont de taille nanométrique (100 nm) et uniformes (dispersité et lt; 0,2) par diffusion dynamique de la lumière (DLS). En outre, nous avons encapsulé DOX en utilisant la méthode de gradient de sulfate d’ammonium transmembrane (également connu sous le nom de chargement à distance)17 comme validation de l’intégrité de la bicouche lipidique LTSL. Le chargement à distance de DOX nécessite le liposome pour maintenir un pH-gradient afin d’atteindre une efficacité d’encapsulation élevée (EE), ce qui est peu probable de se produire sans une bicouche lipidique intacte. Dans cette méthode présentée, distincte des protocoles typiques de préparation microfluidique de liposome, une étape d’annealing est exigée avant que l’éthanol soit enlevé pour permettre la capacité de chargement à distance ; c’est-à-dire pour restaurer l’intégrité de la bicouche lipidique.
Comme nous l’avons mentionné précédemment, les charges utiles hydrophiles et hydrophobes peuvent également être introduites dans les solutions initiales pour l’encapsulation simultanée des charges utiles lors de la formation des LTSL. Comme preuve de concept, le vert endocyanine (ICG), un colorant fluorescent proche infrarouge approuvé par la FDA, qui est également un agent photothermique prometteur, est introduit au mélange lipidique initial et co-chargé avec succès dans les LTSL. Un laser de 808 nm est utilisé pour irradier les LTSL chargés par DOX/ICG et induire avec succès la libération d’éclatement de DOX déclenchée par le chauffage photothermique dans un délai de 5 minutes.
Tous les instruments et matériaux sont disponibles dans le commerce, prêts à l’emploi, et sans nécessité de personnalisation. Étant donné que tous les paramètres de formulation des LTSL ont été optimisés, suivant ce protocole, les chercheurs qui n’ont aucune connaissance préalable de la microfluidique pourraient également préparer les LTSL, qui servent de base à un système d’administration de médicaments thermosensibles.
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1. Configuration de l’équipement
2. Préparer les LTSL
3. Chargement à distance de DOX dans les LTSL par gradient de pH transmembrane
4. Diffusion dynamique de lumière (DLS)
5. Calorimétrie différentielle de balayage (DSC)
6. Sortie de doxorubicine
7. Chauffage au laser et libération déclenchée
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La préparation des LTSL par microfluidique nécessite la composition lipidique de DPPC/MSPC/DSPE-PEG2000 (80/10/10, rapport molaire; LTSL10). La figure 7A (à gauche) montre l’apparition du LTSL10 préparé à partir de l’étape 2.9, comme un liquide clair et non visqueux. La formulation LTSL10 est développée à partir de la formulation conventionnelle, LTSL4 (DPPC/MSPC/DSPE-PEG2000, 86/10/4, rapport molaire) puis...
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Le protocole présenté décrit la préparation de liposomes sensibles à basse température (LTSL) à l’aide d’un micromélangeur à chevrons décalé (SHM). La formulation LTSL10 permet la libération de doxorubicine déclenchée par la température dans les 5 minutes à une température hyperthermique cliniquement atteignable de 42 oC. Indocyanine vert (ICG) peut également être co-chargé pour le chauffage photothermique déclenché la libération de DOX. La méthode repose sur : (i) l’auto-assemblage de phosp...
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Les auteurs n’ont rien à révéler.
Nous remercions Prostate Cancer UK (CDF-12-002 Fellowship) et le Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) (EP/M008657/1) pour leur financement.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) | Lipoid | PC 16:0/16:0 (DPPC) | |
1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000] (DSPE-PEG2000) | Lipoid | PE 18:0/18:0-PEG 2000 (MPEG 2000-DSPE) | |
1-stearoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-phosphocholine (MSPC) | Avanti Polar Lipid | 855775P-500MG | Distributed by Sigma-Adrich; also known as Lyso 16:0 PC (Not to be confused with 14:0/18:0 PC, which is also termed MSPC) |
4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid (HEPES) | Sigma-Aldrich | H3375-100G | |
Adapters, Female Luer Lock to 1/4"-28UNF | IDEX Health & Science | P-624 | Requires 2 units. For the inlets |
Adapters, Union Assembly, 1/4"-28UNF | IDEX Health & Science | P-630 | Requires 2 units. (One unit included 2 nuts and 2 ferrules) |
Ammonium Sulfate ((NH4)2SO4) | Sigma-Aldrich | 31119-1KG-M | |
Bijou vial | VWR | 216-0980 | 7 mL, clear, polystyrene vial |
Centrifugal Filter Unit | Sigma-Aldrich | UFC801008 | 10 kDa MWCO, Amicon Ultra-4 Centrifugal Filter Unit |
Centrifuge | ThermoFisher Scientific | Heraeus Megafuge 8R | With HIGHConic III Fixed Angle Rotor |
Cuvette | Fisher Scientific | 11602609 | Disposable polystyrene cuvette, low volume, for DLS measurement |
Dialysis Kit - Pur-A-Lyzer Maxi | Sigma-Aldrich | PURX12015-1KT | 12-14 kDa MWCO |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | 34943-1L-M | |
DLS Instrument | Malvern Panalytical | Zetasizer Nano ZS90 | |
Doxorubicin Hydrochloride (DOX) | Apollo Scientific | BID0120 | |
DSC Instrument | TA Instruments | TA Q200 DSC | |
DSC Tzero Hermetic Lids | TA Instruments | 901684.901 | For DSC measurement |
DSC Tzero Pans | TA Instruments | 901683.901 | For DSC measurement |
DSC Tzero Sample Press Kit | TA Instruments | 901600.901 | For DSC measurement |
Ethanol | VWR | 20821.330 | Absolute, ≥99.8% |
FC-808 Fibre Coupled Laser System | CNI Optoelectronics Tech | FC-808-8W-181315 | FOC-01-B Fiber Collimator included. |
Ferrule, 1/4"-28UNF to 1/16" OD | IDEX Health & Science | P-200 | For the outlet |
Fibre Optic Temperature Probe | Osensa | PRB-G40 | |
Glass Staggered Herringbone Micromixer (SHM) | Darwin Microfluidics | Herringbone Mixer - Glass Chip | |
Heating Tape | Omega | DHT052020LD | Can be replaced by other syringe heater such as "HTC" or "SRT series" for slower heating. Manual wiring to a 3-pin plug required for 240V models |
Indocyanine Green | Adooq | A10473-100 | Distributed by Bioquote Limited (U.K.) |
Luer-lock Syringe, 5 mL | VWR | 613-2043 | Hanke Sass Wolf SOFT-JECT 3-piece syringes, O.D. 12.45 mm |
Microplate Reader | BMG Labtech | FLUOstar Omega | Installed with 485 nm (exictation) and 590 nm (emission) filters |
Microplate, 96-well, Black, Flat-bottom | ThermoFisher Scientific | 611F96BK | For fluorescence measurement in microplate reader |
Microplate, 96-well, Clear, Flat-bottom | Grenier | 655101 | For absorbance measurement microplate reader |
Nut, 1/4"-28UNF to 1/16" OD | IDEX Health & Science | P-245 | For the outlet |
PC to Pump Network Cable for Aladdin, 7ft | World Precision Instruments | NE-PC7 | Optional: Syringe pumps can be operated manually |
Pump control software - SyringePumpPro Software License for 2 | World Precision Instruments | SYRINGE-PUMP-PRO-02 | Optional: Syringe pumps can be operated manually |
Pump to Pump Network Cable for Aladdin, 7 ft | World Precision Instruments | NE-NET7 | Optional: Syringe pumps can be operated manually |
Size exclusion chromatography (SEC) column | GE Life Science | 17085101 | Sephadex G-25 resin in PD-10 Desalting Columns |
Sodium chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | 31434-1KG-M | |
Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma-Aldrich | S5881-500G | |
Syringe Pumps & Cable (DUAL-PUMP-NE-1000) | World Precision Instruments | ALADDIN2-220/AL1000-220 | |
Thermostat Temperature Controller | Inkbird | ITC-308 | Can be replaced by other syringe heater kit/thermostat |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100-100ML | |
Tubing, ETFE (1/16" OD) | IDEX Health & Science | 1516 | |
USB To RS-232 Converter | World Precision Instruments | CBL-USB-232 | Optional: For computer without RS-232 port |
Water Bath | Grant Instruments Ltd. | JB Nova 12 |
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