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Resumo

Deteção de endotoxinas em nanomateriais engenharia representa um dos grandes desafios no campo da nanomedicina. Aqui, apresentamos um estudo de caso que descreve a estrutura composta por três diferentes formatos LAL para estimar a contaminação potencial de endotoxinas em nanopartículas.

Resumo

Quando presentes em produtos farmacêuticos, uma parede de pilha bacteriana gram-negativos endotoxina de componente (muitas vezes também chamada lipopolissacarídeo) pode causar inflamação, febre, hipo - ou hipertensão arterial e, em casos extremos, pode levar a danos de tecidos e órgãos que podem tornar-se fatal. As quantidades de endotoxina em produtos farmacêuticos, portanto, são estritamente regulamentadas. Entre os métodos disponíveis para a detecção de endotoxinas e quantificação, o ensaio de Limulus Amoebocyte Lysate (LAL) é comumente usado em todo o mundo. Enquanto qualquer produto farmacêutico pode interferir com o ensaio LAL, nano-formulações representam um desafio particular devido à sua complexidade. O objetivo deste trabalho é fornecer um guia prático para pesquisadores inexperientes na estimativa de endotoxinas em nanomateriais engenharia e drogas nanopartículas-formulado. Neste documento, recomendações práticas para a realização de três formatos LAL, incluindo turbidez, cromogênico e gel-coágulo ensaios são discutidas. Estes ensaios podem ser usados para determinar a contaminação de endotoxinas em medicamentos baseados em nanotecnologia, vacinas e adjuvantes.

Introdução

Uma endotoxina é um bloco de construção da parede de pilha bacteriana gram-1,2. Ele pode ativar as células do sistema imunológico em muito baixas concentrações de (picograma)1,2. Os mediadores proinflammatory (citocinas, leucotrienos, eicosanoides, etc) produzidos pelas células em resposta a uma endotoxina são responsáveis pela febre, hipotensão, hipertensão e mais graves problemas de saúde, incluindo a falência múltipla de órgãos 1 , 2 , 3. a severidade dos imune-mediada-efeitos colaterais provocados a endotoxina depende de sua potência determinada pela estrutura e composição de endotoxinas e medido em unidades de endotoxina internacional (IUs ou EUs)3. O número dessas unidades por quilograma de peso corporal é usado para definir uma dose pirogénica limiar da endotoxina. Esta dose é que 5 EU/kg para medicamentos administrados através de todas as rotas, mas a via intratecal. Drogas dosadas por metro quadrado de superfície corporal, fluidos intra-ocular, radiofármacos e produtos administrado via intratecal rota têm uma dose pirogénica limiar diferente, que é 100 EU/m2, 0.2 EU/mL, EU 175/V (onde V é o volume do produto destinado a administração) e EU 0.2/kg, respectivamente4. Mais detalhes sobre a dose pirogénica limiar para vários medicamentos e dispositivos são fornecidos e discutiram em outra parte4,5,6.

Animais variam muito em sua sensibilidade para reações mediadas por endotoxinas. Os seres humanos, os primatas não-humanos e coelhos estão entre as espécies mais extremamente sensíveis a endotoxinas3. Para evitar mediada por endotoxina de efeitos colaterais em pacientes e evitar conclusões imprecisas de toxicidade pré-clínica e estudos de eficácia, é essencial para detectar com precisão e quantificar endotoxinas em ambas as formulações de grau e pré-clínicos. Vários métodos atualmente disponíveis podem realizar esta tarefa. Um deles é o ensaio de Limulus Amoebocyte Lysate (LAL), que é comumente usado em todo o mundo para a tela de produtos biomédicos para a potencial contaminação de Endotoxinas, bem como para detectar infecções bacterianas7,8,9. O lisado é preparado a partir amoebocytes, as células presentes no sangue de caranguejos-ferradura Limulus polyphemus residentes na costa leste do continente da América do Norte7. Curiosamente, há poucas espécies diferentes de caranguejos-ferradura (Tachypleus gigas e Tachypleus tridentatus) em Ásia10. O Tachypleus Amoebocyte Lysate (TAL) é usado em vários países asiáticos para a detecção de endotoxina semelhante como o leite é usado em outros cuntries10. Os lysates (LAL e TAL) contêm um grupo de proteínas que, após a ativação, conferir atividade de protease. Uma destas proteínas, o chamado Factor C é ativada em caso de contacto com endotoxina. Ativado fator C cliva o fator B, que por sua vez também se torna uma protease e fende uma pro-coagulação enzimática para produzir uma enzima de coagulação. O resultado dessa cadeia de reações é a formação de um gel, um aumento na turbidez da amostra e, na presença de um substrato cromogénico, a aparência de um produto colorido, que servem como base para gel-coágulo, turbidez e ensaios cromogênico, respectivamente. Enquanto não há nenhum formato obrigatório da LAL, a Food and Drug Administration (FDA) explica na orientação para documento da indústria, que, em caso de discrepância nos resultados do teste entre diferentes formatos LAL, a decisão é feita com base no ensaio de gel-coágulo5 .

Muitos comumente utilizados produtos químicos de laboratório (ex., EDTA) e ensaios de drogas conhecida produtos (por exemplo, penicilina) interferem com LAL11. A interferência é geralmente identificada por avaliar a recuperação do padrão de endotoxina cravado em uma concentração conhecida em uma solução contendo o material de ensaio. Se a recuperação de pico é menor do que 50% ou mais de 200%, então o resultado da LAL do ensaio para o material determinado teste é inválido devido à inibição ou realce, respectivamente4. Formulações à base de nanotecnologia são muitas vezes complexas e interferem com o leite através de uma variedade de mecanismos12,13,14. Muitas abordagens têm sido descritas para superar a interferência: reconstituição de amostra em buffers específicos e surfactantes, inativação de proteínas por aquecimento, destruição de materiais ocos baseados em lipídios por aquecimento e completando a amostra com excesso cátions divalentes5,12,13,14,15. Métodos alternativos para situações em que a interferência de leite não pode ser superada também têm sido descritos: ELISA, uma célula de repórter HEK-TLR4 linha de ensaio e espectrometria de massa16,17,18, 19.

Neste documento, os procedimentos experimentais para a realização de ensaios LAL cromogênico, turbidez e gel-coágulo são descritos. Estes ensaios também estão disponíveis no site laboratório de caracterização de nanotecnologia (NCL)20 em protocolos STE1.2 (turbidez LAL), STE1.3 (gel-coágulo LAL) e STE1.4 (LAL cromogênico). Recomenda-se realizar pelo menos dois formatos diferentes para caracterizar a mesma formulação-nano. Quando resultados de turbidez e LAL cromogênica discordam, os resultados do gel-coágulo são considerados5. Quando os resultados dos dois formatos LAL discordam, adicionais de conclusões de estudos usando o teste de ativação de monócitos (esteira) ou teste de pirogênio coelho (RPT) para verificar LAL são realizados21. É importante notar que cada método utilizado para detecção de endotoxinas e avaliação pirogénicos tem vantagens e limitações21,22,23,24. Reconhecer as limitações do procedimento usado para caracterizar uma formulação de determinada nanotecnologia é essencial para obter justificação científica para a utilização do procedimento ideal para essa formulação-nano.

Neste estudo, doxorrubicina lipossomal peguilado foi usada como uma formulação de nanopartículas de modelo. Esta formulação foi aprovada pela FDA em 1995 e usada no tratamento de pacientes de câncer em todo o mundo25.

Protocolo

1. preparação das amostras de nanopartículas

  1. Prepare a amostra de estudo em LAL grau água.
  2. Se o pH da amostra está fora do intervalo de 6-8, ajuste o pH usando apirógena hidróxido de sódio ou ácido clorídrico.
  3. Usando leite água grau preparar várias diluições da amostra do estudo. Certifique-se que a maior diluição que não ultrapasse a máxima diluição válida (MVD). Consulte a seção de discussão para obter detalhes sobre a estimativa de MVD.

2. preparação dos reagentes comuns entre formatos LAL

  1. Diluir o estoque de hidróxido de sódio concentrado usando água reagente LAL livre de pirogênio para preparar uma solução de trabalho em uma concentração de 0,1 N.
  2. Diluir o estoque de ácido clorídrico concentrado usando água de reagente LAL livre de pirogênio e preparar uma solução de trabalho em uma concentração final de 0,1 N.
  3. Preparação da endotoxina padrão de controle (CSE)
    1. Reconstitua o CSE de acordo com o certificado de análise fornecida pelo fabricante.
      Nota: Consulte a seção de discussão para observações importantes sobre as informações fornecidas no certificado. Consulte a Tabela de materiais para os detalhes a respeito do número de catálogo e aplicação de uma determinada formulação de CSE em diferentes formatos LAL.
  4. Preparação do reagente LAL
    1. Reconstitua o reagente LAL de acordo com o certificado de análise fornecida pelo fabricante.
      Nota: Consulte a seção de discussão para obter detalhes importantes sobre a preparação do reagente LAL. Consulte a Tabela de materiais para os detalhes a respeito do número de catálogo e aplicação de uma determinada formulação de reagente LAL em formato diferente do leite.

3. turbidez LAL ensaio

  1. Preparação dos padrões de calibração
    1. 900 µ l de água de grau LAL e 100 µ l do CSE, prepare diluições intermediárias como muitos conforme necessário para permitir a preparação de uma calibração padrão com um intervalo de concentração de 0.001 a 1 EU/mL.
    2. Primeiro rótulo tubos e adicionar 900 μL de água LAL grau em cada tubo. Em seguida, adicione 100 μL de 10 solutionn EU/mL para preparar padrão de calibração com concentração de 1EU/mL.
    3. Repita a série 10 vezes diluição conforme descrito acima para preparar três padrões de calibração inferiores. Verificar que quatro padrões de calibração que variam de 0,001 a 1 EU/mL foram preparadas.
  2. Preparação dos controles de qualidade
    1. Prepare um controle de qualidade EU/mL 0,05 combinando-se 50 µ l da 1 solução CSE EU/mL com 950 ml de água LAL-grau.
      Nota: Consulte a seção de discussão para obter detalhes sobre a preparação de controle.
  3. Preparação de controles de inibição/Enhancement (IEC)
    1. Prepare o IEC com concentração de 0,05 EU/mL através da combinação de 25 µ l da 1 solução CSE EU/mL e 475 µ l do nanomaterial de teste em uma determinada diluição.
      Nota: Consulte a seção de discussão para obter detalhes adicionais.
  4. Procedimento experimental
    1. Permitir que o instrumento aquecer por ligá-lo aproximadamente 30 min de antecedência. Set-up o comprimento de onda de deteção de 660 nm como isto é apropriado para o turbidity da LAL.
    2. Entrar digitando o nome de usuário e senha.
    3. Abra o software (Tabela de materiais), clicando no ícone correspondente na tela do computador.
    4. Selecione a coletar dados na tela inicial do software. Digite as informações de grupo de identificação e dados de teste no espaço correspondente na aba geral na tela inicial.
    5. Clique na guia Hardware escolha o tipo de instrumento de um menu dropdown.
    6. Set-up o comprimento de onda de deteção de 660 nm como isto é apropriado para a turbidez LAL, selecionando o método de turbidez LAL.
    7. Verifique se um número de série, ID de sistema e informações de porta serial aparecem na tela. Clique Okey. Clique Okey mais uma vez para confirmar.
    8. Insira o ID de amostra na mesma ordem que a amostra é testada. Use botões padrão para inserir o controlo negativo, amostras de curva e teste padrão.
    9. Preparar tubos duplicados para cada amostra e adicionar 200 µ l (teste de proporção 4:1) ou 100 µ l (teste de proporção 1:1) de controlo negativo (água), padrões de calibração, controle de qualidade, nanopartículas IEC e teste em tubos de vidro previamente rotulado.
    10. Adicione 50 µ l (teste de proporção 4:1) ou 100 µ l (teste de proporção 1:1) de reagente LAL ao primeiro teste frasco, vórtice que brevemente e insira no teste slot no carrossel do instrumento. Se a proporção de 1:1 é usada, o volume de reagente LAL é 100 µ l.
    11. Repita o procedimento descrito acima para as outras amostras. Processo de amostras de um de cada vez.
      Nota: Consulte a seção de discussão para mais detalhes.

4. cromogênico LAL

  1. Preparação de padrões de calibração
    1. 900 µ l de água de grau LAL e 100 µ l do CSE, prepare diluições intermediárias como muitos conforme necessário para permitir a preparação de um padrão de calibração com uma concentração de 1 EU/mL.
    2. Água de LAL-série 900 µ l e 100 µ l da 1 padrão de calibração EU/mL, prepare um segundo padrão de calibração em uma concentração de 0.1 EU/mL.
    3. Repita a série 10 vezes diluição conforme descrito acima para preparar dois mais baixos padrões de calibração. Verificar que quatro padrões de calibração que variam de 0,001 a 1 EU/mL foram preparadas.
  2. Elaboração de controles de qualidade.
    1. Prepare um controle de qualidade EU/mL 0,05 combinando-se 50 µ l da 1 solução CSE EU/mL com 950 ml de água LAL-grau.
      Nota: Consulte a seção de discussão para obter detalhes sobre a preparação de controle.
  3. Preparação de controles de inibição/Enhancement (IEC)
    1. Prepare-se 0,05 EU/mL combinando 25 μL da 1 solução CSE EU/mL com 475 μL de teste nanomaterial.
      Nota: Consulte a seção de discussão para obter detalhes adicionais.
  4. Procedimento experimental
    1. Permitir que o instrumento aquecer por ligá-lo aproximadamente 30 min de antecedência. Set-up o comprimento de onda de deteção de 405 nm como isto é apropriado para o turbidity da LAL.
    2. Abra o software clicando no ícone correspondente na tela do computador. Entrar digitando o nome de usuário e senha.
    3. Selecione a coletar dados na tela inicial do software. Insira informações de grupo de identificação e dados de teste no espaço correspondente na aba geral na tela inicial.
    4. Clique na guia Hardware escolha o tipo de instrumento de um menu dropdown. Escolha o instrumento.
    5. Verifique se um número de série, ID de sistema e informações de porta serial aparecem na tela. Clique Okey. Clique Okey mais uma vez para confirmar.
    6. Insira o ID de amostra na mesma ordem que a amostra é testada. Use botões padrão para inserir o controlo negativo, amostras de curva e teste padrão.
    7. Preparar tubos duplicados para cada amostra e adicionar 200 µ l (teste de proporção 4:1) ou 100 µ l (teste de proporção 1:1) de controlo negativo (água), padrões de calibração, controle de qualidade, nanopartículas IEC e teste em tubos de vidro previamente rotulado.
    8. Adicione 50 µ l (teste de proporção 4:1) ou 100 µ l (teste de proporção 1:1) de reagente LAL ao primeiro teste frasco, vórtice que brevemente e insira no teste slot no carrossel do instrumento. Se a proporção de 1:1 é usada, o volume de reagente LAL é 100 µ l.
    9. Repita o procedimento descrito acima para as outras amostras. Processo de amostras de um de cada vez.

5. gel-coágulo LAL

Nota: Este teste identifica a presença de endotoxinas na amostra baseado na observação visual e deteção de um coágulo no tubo de reação. As etapas experimentais são descritas abaixo. Use uma folha de bancada para gravar os resultados. Esta folha de banco não é obrigatória, e outras formas de gravar os resultados do ensaio são igualmente aceitáveis. Um exemplo de tal uma folha do banco é fornecido em materiais complementares para a conveniência de um leitor. Lambda (l) é a sensibilidade do ensaio do gel-coágulo e 0,03 EU/mL.

  1. Rotule como muitos tubos de reação conforme necessário para acomodar o número de amostras analisadas. Consulte a folha de banco para obter detalhes sobre o número de repetições usado na etapa 1, etapa 2 e etapa 3 do ensaio.
  2. Alíquotas de 100 μL de amostra de água, controles ou teste por tubo.
  3. Prepare o CSE tal que a concentração final é igual a 4λ.
  4. Combine a 100 μL do padrão mencionado acima com 100 μL de amostra de água ou teste para obter a concentração final do CSE de 2λ. Repita mais três vezes para conseguir lambda e metade-lambda e lambda de um quarto.
  5. Certifique-se de que a temperatura em banho-maria a 37 ° C.
  6. Adicionar 100 μL de lisado por tubo de ensaio, vórtice brevemente e coloque o Carré com todos os tubos em banho-maria por 1h.
  7. Inverta o tubo com um movimento suave.
  8. Resultados registros manualmente usando "+" (coágulo firme) ou "-" (sem coágulo ou coágulo solta) na folha de banco.
  9. Prosseguir com a análise de acordo com a USP aposta 854; use a folha de banco como material de apoio

Resultados

O exemplo de dados gerados após o teste esta formulação em ensaios LAL é mostrado na tabela 1. Doxorrubicina lipossomal peguilado interferiu com LAL cromogênico a diluição 5. No entanto, esta interferência foi superada pelo maiores diluições. Recuperação de Spike foi entre 50 e 200% quando esta formulação foi testada em diluições 50 e 500 turbidez e LAL cromogênico, bem como a diluição 5 na turbidez LAL. Quando ajustado pelo factor de diluição, os res...

Discussão

As informações fornecidas neste protocolo tem sido descritas antes15,26 e se baseia em vários documentos normativos publicados pela Food e Drug Administration (FDA ou FDA) e farmacopeia dos Estados Unidos (USP)4 , 5 , 6 , 27e também está disponível no site NCL20 em protocolos STE1.2 (turbidez LAL), STE1.3 (...

Divulgações

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

O estudo foi apoiado por fundos federais do Instituto Nacional de câncer, National Institutes of Health, sob contrato HHSN261200800001E. O conteúdo desta publicação não reflete necessariamente as opiniões ou políticas do departamento de saúde e serviços humanos, nem faz menção de nomes comerciais, produtos comerciais, ou organizações implicam o endosso pelo governo dos EUA.

Materiais

NameCompanyCatalog NumberComments
Turbidity LAL Assay
Sodium HydroxideSigmaS2770When needed, it is used to adjust sample pH to be between 6-8
Hydrochloric acidSigmaH9892When needed, it is used to adjust sample pH to be between 6-8
LAL ReagentAssociates of Cape CodT0051This reagent can be used with turbidity assay only
Control Endotoxin StandardAssociates of Cape CodE0005This reagent can be used with turbidity and gel-clot assays
LAL grade waterAssociates of Cape CodWP0501This reagent can be used with any LAL format
Glucashield BufferAssociates of Cape CodGB051-25Used to prevent false-positive response from beta-glucans
Disposable endotoxin-free glass dilution tubes 12 x 75 mmAssociates of Cape CodTB240These tubes can be used with all three assays
Disposable endotoxin-free glass reaction tubes 8 x 75 mmAssociates of Cape CodTK100These tubes can be used with turbidity and chromogenic assays
Pyrogen-free tips with volumes 0.25 and 1.0 mLRAININPPT25, PPT10Tips and pipettes may adsorb endotoxin and release leachables which interfere with LAL assay. These RAININ tips are used because their optimal performance in the LAL assay was verified and confirmed
Pyrogen-free microcentrifuge tubes, 2.0 mLEppendorf22600044Other equivalent supplies can be used
Pyrogen-fee combitips, 5mLEppendorf30089669Other equivalent supplies can be used
Repeat pipettorEppendorf4982000020Other equivalent supplies can be used
Microcetrifugeany brandAny brand can be used
Refrigerator, 2-8 Cany brandAny brand can be used
Vortexany brandAny brand can be used
Freezer, -20 Cany brandAny brand can be used
Pyros Kinetix or Pyros Kinetix Flex readerAssociates of Cape CodPKF96Other instruments can be used. However, LAL reagents and endotoxin standards used in this assay may require optimization. When other instrumentation is used, please refer to the instrument and LAL kit manufacturers for instructions
Chromogenic LAL Assay
Pyrochrome LAL ReagentAssociates of Cape CodCG1500-5This reagent is specific to the Chromogenic Assay
Control Endotoxin StandardAssociates of Cape CodEC010This standard is different than that used for turbidity and gel-clot LALs; it is optimized for optimal performance in the chromogenic assay
Sodium HydroxideSigmaS2770When needed, it is used to adjust sample pH to be between 6-8
Hydrochloric acidSigmaH9892When needed, it is used to adjust sample pH to be between 6-8
LAL grade waterAssociates of Cape CodWP0501This reagent can be used with any LAL format
Glucashield BufferAssociates of Cape CodGB051-25Used to prevent false-positive response from beta-glucans
Disposable endotoxin-free glass dilution tubes 12 x 75 mmAssociates of Cape CodTB240These tubes can be used with all three assays
Disposable endotoxin-free glass reaction tubes 8 x 75 mmAssociates of Cape CodTK100These tubes can be used with turbidity and chromogenic assays
Pyrogen-free tips with volumes 0.25 and 1.0 mlRAININPPT25, PPT10Tips and pipettes may adsorb endotoxin and release leachables which interfere with LAL assay. These RAININ tips are used because their optimal performance in the LAL assay was verified and confirmed
Pyrogen-free microcentrifuge tubes, 2.0 mLEppendorf22600044Other equivalent supplies can be used
Pyrogen-fee combitips, 5mLEppendorf30089669Other equivalent supplies can be used
Repeat pipettorEppendorf4982000020Other equivalent supplies can be used
Microcetrifugeany brandAny brand can be used
Refrigerator, 2-8 Cany brandAny brand can be used
Vortexany brandAny brand can be used
Freezer, -20 Cany brandAny brand can be used
Pyros Kinetix or Pyros Kinetix Flex readerAssociates of Cape CodPKF96Other instruments can be used. However, LAL reagents and endotoxin standards used in this assay may require optimization. When other instrumentation is used, please refer to the instrument and LAL kit manufacturers for instructions
Gel-Clot LAL Assay
LAL ReagentAssociates of Cape CodG5003This reagent is specific to the gel-clot assay
Control Endotoxin StandardAssociates of Cape CodE0005This reagent can be used with turbidity and gel-clot assays
Sodium HydroxideSigmaS2770When needed, it is used to adjust sample pH to be between 6-8
Hydrochloric acidSigmaH9892When needed, it is used to adjust sample pH to be between 6-8
LAL grade waterAssociates of Cape CodWP0501This reagent can be used with any LAL format
Glucashield BufferAssociates of Cape CodGB051-25Used to prevent false-positive response from beta-glucans
Disposable endotoxin-free glass dilution tubes 12 x 75 mmAssociates of Cape CodTB240These tubes can be used with all three assays
Disposable endotoxin-free glass reaction tubes 10 x 75 mmAssociates of Cape CodTS050These tubes are for use with the gel-clot assay
Pyrogen-free tips with volumes 0.25 and 1 mLRAININPPT25, PPT10Tips and pipettes may adsorb endotoxin and release leachables which interfere with LAL assay. These RAININ tips are used because their optimal performance in the LAL assay was verified and confirmed
Pyrogen-free microcentrifuge tubes, 2.0 mLEppendorf22600044Other equivalent supplies can be used
Pyrogen-fee combitips, 5mLEppendorf30089669Other equivalent supplies can be used
Repeat pipettorEppendorf4982000020Other equivalent supplies can be used
Microcetrifugeany brandAny brand can be used
Refrigerator, 2-8 Cany brandAny brand can be used
Vortexany brandAny brand can be used
Freezer, -20 Cany brandAny brand can be used
Water bath, 37 Cany brandAny brand can be used, however, it is important either to switch off water circulation or use non-circualting water bath because water flow will affect clot formation and lead to false-negative results

Referências

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