Name: modulating shape of polyester based polymersomes using osmotic pressure
Uploaded: 2021-04-21T15:00:00
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Este projeto foi financiado em parte pelo Projeto Institutos Nacionais de Saúde número 5P20GM103499-19 por meio do Programa de Projetos de Pesquisa Iniciado pelo Estudante. Este trabalho também foi parcialmente apoiado pelo Programa de Inquérito Criativo da Clemson. Também reconhecemos Nicholas L'Amoreaux e Aon Ali que inicialmente trabalharam na criação deste protocolo, publicando seu primeiro artigo citado aqui14.

1. Formação polímero esférica usando um método de injeção de solvente
<ol><li>Dissolução de poliésteres em solvente orgânico NOTA: Apenas um poliéster deve ser dissolvido em seu respectivo solvente orgânico de cada vez para formar polímeros.<ol>
<li>Dissolver poliésteres PEG-PLA ou PEG-b-poly (ácido láctico-coglicólico) (PEG-PLGA) em sulfóxido de dimetila (DMSO) com uma concentração de 1,5% de peso. Especificamente, dissolva 0,015 g de poliéster selecionado em 1 mL de DMSO (15 mg/mL). A dissolu...

<ol>
	<li>Varma, L. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+self-assembled+nanoparticles+for+drug+delivery.">Recent advances in self-assembled nanoparticles for drug delivery.</a> Current Drug Delivery. 17 (4), 279-291 (2020).</li><li>Salatin, S., Maleki Dizaj, S., Yari Khosroushahi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+the+surface+modification,+size,+and+shape+on+cellular+uptake+of+nanoparticles.">Effect of the surface modification, size, and shape on cellular uptake of nanoparticles.</a> Cell Biology International. 39 (8), 881-890 (2015).</li><li>Baio, J. 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A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shape+characterization+of+polymersome+morphologies+via+light+scattering+techniques.">Shape characterization of polymersome morphologies via light scattering techniques.</a> Polymer. 107, 445-449 (2016).</li><li>Men, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonequilibrium+Reshaping+of+polymersomes+via+polymer+addition.">Nonequilibrium Reshaping of polymersomes via polymer addition.</a> ACS Nano. 13 (11), 12767-12773 (2019).</li><li>Meeuwissen, S. A., Kim, K. T., Chen, Y., Pochan, D. J., van Hest, J. C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+shape+transformation+of+polymersome+stomatocytes.">Controlled shape transformation of polymersome stomatocytes.</a> Angewandte Chemie. 123 (31), 7208-7211 (2011).</li><li>Wong, C. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Faceted+polymersomes:+A+sphere-to-polyhedron+shape+transformation.">Faceted polymersomes: A sphere-to-polyhedron shape transformation.</a> Chemical Science. 10 (9), 2725-2731 (2019).</li><li>Chidanguro, T., Ghimire, E., Simon, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shape-transformation+of+polymersomes+from+glassy+and+crosslinkable+ABA+triblock+copolymers.">Shape-transformation of polymersomes from glassy and crosslinkable ABA triblock copolymers.</a> Journal of Materials Chemistry B. 8 (38), 8914-8924 (2020).</li><li>Van Oers, M. C. M., Rutjes, F. P. J. T., Van Hest, J. C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tubular+polymersomes:+A+cross-linker-induced+shape+transformation.">Tubular polymersomes: A cross-linker-induced shape transformation.</a> Journal of the American Chemical Society. 135 (44), 16308-16311 (2013).</li><li>Che, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pathway+dependent+shape-transformation+of+azide-decorated+polymersomes.">Pathway dependent shape-transformation of azide-decorated polymersomes.</a> Chemical Communications. 56 (14), 2127-2130 (2020).</li><li>Haryadi, B. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonspherical+nanoparticle+shape+stability+is+affected+by+complex+manufacturing+aspects:+Its+implications+for+drug+delivery+and+targeting.">Nonspherical nanoparticle shape stability is affected by complex manufacturing aspects: Its implications for drug delivery and targeting.</a> Advanced Healthcare Materials. 8 (18), 11-13 (2019).</li><li>Katterman, C., Pierce, C., Larsen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combining+nanoparticle+shape+modulation+and+polymersome+technology+in+drug+delivery.">Combining nanoparticle shape modulation and polymersome technology in drug delivery.</a> ACS Applied Bio Materials. , (2021).</li></ol>

Sistemas auto-montados são notoriamente incontroláveis. Suas propriedades finais, incluindo tamanho, forma e estrutura, são impulsionadas pelas propriedades hidrofóbicas do anfífilo escolhido e pelo ambiente solvente selecionado. Copolímeros de blocos anfílicos tendem a formas esféricas, o que minimiza a energia livre de Gibb e leva ao equilíbrio termodinâmico23, formando polímeros. Devido à sua natureza de equilíbrio, os polímeros são significativamente mais desafiadores para along...

A modulação da forma é uma maneira relativamente nova e eficiente de melhorar a entrega de drogas mediadas por nanopartículas. Não só a mudança na morfologia aumenta a área superficial das partículas, o que, por sua vez, permite uma maior capacidade de transporte, mas também tem implicações em toda a placa para melhorar a estabilidade, o tempo de circulação, a biodisponibilidade, a segmentação molecular e a liberação controlada1. Polímeros, a nanopartícula de foco neste método, tendem a se auto-montar termodinamicamente em uma forma esférica, que provou ser impraticável na absorção celular e é mais facilmente detectada no sistema imunológico como um corpo estranho. Ser capaz de alongar a estrutura em um prolato ou uma vara permitirá que o portador de drogas evite macrófagos imitando células nativas e entregue com mais sucesso ao alvo desejado2,3,4,5,6,7. Os benefícios significativos dos polimerosos, incluindo proteção ligada à membrana de cargas, resposta a estímulos da membrana e encapsulamento duplo de drogas hidrofílicas e hidrofóbicas8,9,10, que os tornam fortes candidatos à entrega de medicamentos são mantidos durante a modulação da forma.
Existem muitos métodos diferentes na modulação das formas dos polímeros, e cada um vem com suas respectivas vantagens e desvantagens. No entanto, a maioria desses métodos se enquadra em duas categorias: mudança de pressão osmótica orientada por solventes e salgada11. Ambas as abordagens visam superar a energia de dobra presente após polimerosos serem formados em uma forma de equilíbrio esférico. Ao introduzir um gradiente de pressão osmótica, os polímeros podem ser forçados a se curvar em estruturas alongadas, apesar das fortes energias de dobra11,12.
O método baseado em solventes explora a mudança de forma inspirada no trabalho de Kim e van Hest13. Eles plastificaram polímeros em uma mistura orgânica de solvente e água para prender os solventes orgânicos na membrana vesícula e expulsar a água do núcleo vesícula. Eventualmente, o volume interno da partícula é tão baixo que se alonga. Embora este método tenha se mostrado promissor, falta praticidade. Este método requer diferentes solventes para cada espinha dorsal polimérica individual envolvida na modulação. Portanto, não é amplamente aplicável promover a mudança de forma. Por outro lado, o método à base de sal é uniforme e utiliza um driver universal que pode introduzir pressão osmótica em muitos polímeros à base de copolímeros.
Este projeto utiliza o método à base de sal introduzido por L'Amoreaux et al14. Este protocolo envolve duas rodadas de diálise. Um deles visa purificar e solidificar polímeros poli (etileno glicol)-b-poly(ácido láctico) (PEG-PLA) removendo solventes orgânicos que podem ter ficado presos na bicamada durante a produção, e um que promove a mudança de forma. A segunda etapa de diálise introduz uma solução NaCl de 50 mM que cria um gradiente de pressão osmótica para conduzir a mudança de forma. Este método é suportado por Salva et al., que observam que o estresse hipertônico em uma solução fará com que a vesícula encolha15. Este método baseia-se em um método publicado anteriormente14 olhando para dois polimerosos diferentes à base de poliéster e vários gradientes de sal de 50-200 mM NaCl. Os poliésteres são usados devido à sua biocompatibilidade e biodegradação. O gradiente de sal tem efeitos variados na forma, dependendo da hidroofobidade da espinha dorsal copolímero do bloco. Pode ser usado para criar prolatos, hastes e estomatócitos. Este método movido a sal foi escolhido devido à facilidade de replicação e versatilidade experimental.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>15*45 vials screw thread w/cap attached</td>
			<td>Fisherbrand</td>
			<td>9609104000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dimethyl Sulfoxide</td>
			<td>Fisher Chemical</td>
			<td>D128-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dimethyl Sulfoxide</td>
			<td>BDH</td>
			<td>BDH1115-1LP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoremp stirrers, hotplates, and stirring hotplates</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td>CIC00008110V19</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LEGATO 130 SYRINGE PUMP</td>
			<td>kd Scientific</td>
			<td>788130</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PEG(1000)-b-PLA(5000), Diblock Polymer</td>
			<td>Polysciences Inc</td>
			<td>24381-1</td>
			<td>note the molecular weights when replicating</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly(ethylene glycol) (2000) Methyl ether-block-poly(lactide-co-glycolide) (4500)</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>764825-1G</td>
			<td>note the molecular weights when replicating</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Single-Use Syringe/BD PrecisionGlide Needle combination, sterile, BD medical</td>
			<td>BD medical</td>
			<td>BD305620</td>
			<td>Tuberculin</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Chloride</td>
			<td>BDH</td>
			<td>BDH9286</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zetasizer Nano ZS</td>
			<td>Malvern</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

modulating shape of polyester based polymersomes using osmotic pressure

Os polímeros são vesículas bicamadas ligadas à membrana criadas a partir de copolímeros de blocos anfílicos que podem encapsular cargas hidrofóbicas e hidrofílicas para aplicações de entrega de medicamentos. Apesar de sua promessa, os polímeros são limitados em aplicação devido à sua forma esférica, que não é prontamente ocupada pelas células, como demonstrado pelos cientistas de nanopartículas sólidas. Este artigo descreve um método à base de sal para aumentar as proporções de poliglicol esférico (etileno glicol) (PEG)- polímeros à base de PEG. Este método pode alongar polímeros e, finalmente, controlar sua forma final adicionando cloreto de sódio na diálise pós-formação. A concentração de sal pode ser variada, como descrito neste método, com base na hidroofobidade do copolímero do bloco sendo usado como base para o polímero e a forma alvo. As nanopartículas alongadas têm o potencial de direcionar melhor o endotélio em vasos sanguíneos de maior diâmetro, como veias, onde a margem é observada. Este protocolo pode expandir as aplicações de nanopartículas terapêuticas utilizando técnicas de alongamento em conjunto com os benefícios de carregamento duplo e de longa circulação de polimerosos.

A Tabela 2 apresenta os resultados esperados ao seguir o protocolo passo 1. Observe que o DMSO é usado como solvente tanto para PEG-PLA quanto para PEG-PLGA na formação de polímeros. O desvio deste solvente é possível, pois outros solventes miscíveis da água dissolverão os copolímeros, mas espera-se que mudem os resultados. Espera-se que o PDI seja inferior a 0,2, indicando a formação de polímeros monodisperses17. Note que o aumento da hidroofobidade leva ao aumento d...

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Modulating Shape of Polyester Based Polymersomes using Osmotic Pressure

Polímeros são vesículas poliméricas auto-montadas que são formadas em formas esféricas para minimizar a Energia Livre de Gibb. No caso da entrega de medicamentos, estruturas mais alongadas são benéficas. Este protocolo estabelece métodos para criar mais polímeros parecidos com varas, com proporções alongadas, usando sal para induzir pressão osmótica e reduzir os volumes de vesículas internas.

Forma modulada de poliéster baseado em polimeroses usando pressão osmótica

Polymersomes are membrane-bound, bilayer vesicles created from amphiphilic block copolymers that can encapsulate both hydrophobic and hydrophilic payloads ...

A forma de nanopartículas influencia a absorção celular, mas trabalhos limitados foram feitos para mudar a forma dos polímeros. Este protocolo demonstra como alongar polímeros para aplicações aprimoradas de entrega de medicamentos. Esta técnica fornece uma abordagem simples que pode criar muitas formas polimeras diferentes com aplicações potenciais na entrega de drogas, pseudo células ou para outros campos inexplorados.Polímeros alongados podem fornecer simultaneamente drogas hidrofóbicas e hidrofílicas e mais facilmente nas células. Esta técnica poderia ajudar a transportar drogas através da barreira hemencefálica, abordando um grande desafio médico. Para começar, dissolva 0,015 gramas de poliéster selecionado em um mililitro de DMSO por vórtice por 15 minutos e configure o aparelho de injeção de solvente.Coloque a placa inicial logo abaixo da bomba de seringa vertical e coloque uma bile de vidro de cinco mililitros com um mililitro de água deionizada tipo dois em uma barra estelar em miniatura na placa de mexida. Ajuste a altura das bombas de seringa para permitir que a ponta da agulha esteja totalmente imersa na água desionizada tipo dois e ajuste a taxa de infusão da bomba de seringa para cinco microliters por minuto. Realize a injeção de solvente desenhando a solução de solvente orgânico e poliéster em uma agulha de calibre 27.Coloque a agulha na bomba de seringa e certifique-se de que ela está segura. Ajuste o bloco de empurrador para tocar na extremidade do êmbolo da seringa. Inicie a placa de mexida para que a água esteja girando a 100 rotações por minuto e, em seguida, inicie a bomba de seringa.Uma vez que a bomba de seringa tenha infundido totalmente o solvente orgânico e o polímero na água, remova a barra de agitação e tampa o vidro vil. Para caracterização do polímero através de dispersão dinâmica de luz ou DLS, adicione um mililitro de água com uma pequena porcentagem de solvente orgânico e polímero a um cuvette de um mililitro. Executei DLS colocando o cuvette no sistema e configurando a execução.Leia o diâmetro ponderado de intensidade polímera e índice de polidispersidade ou PDI. Depois de lavar uma membrana de diálise de 300 kilodalton de acordo com os protocolos fornecidos pelo fabricante, adicione um mililitro de solução polímera no reservatório do dispositivo de diálise. Coloque o dispositivo de diálise no béquer de 250 mililitros com 150 mililitros de água deionizada tipo dois em uma placa de mexida.Coloque a placa de mexida a uma velocidade que permita o movimento suave do dispositivo de diálise e deixe-a mexer durante a noite. Após a diálise concluída, extraia a solução de um mililitro polímero do dispositivo de diálise. Crie 150 mililitros de tampão de sal desejado com concentração de 50, 100 ou 200 mililitros de cloreto de sódio com base nas propriedades polimersomeas desejadas e mantenha a carga do dispositivo de diálise em 150 mililitros de solução de sal por 18 horas para mexer.Após a modulação da forma, execute as medições de DLS. Preste especial atenção às medidas do PDI em comparação com os polímeros espirituais como uma mudança no PDI sugere uma mudança efetiva de forma nos polímeros. Use controles apropriados para imagens, especialmente polímeros modulados sem forma para garantir o sucesso do método.A observação TEM dos polímeros baseados em PEG-PLA indicam uma estrutura esférica global com uma linha exterior mais espessa que é indicativa de uma membrana. Os polímeros apresentam-se como estruturas físicas e SEM com uma escova como camada exterior de PEG. Uma hora de diálise na água levou ao mesmo diâmetro médio global com a remoção do solvente diminuindo o diâmetro do polímero.Quando são utilizadas concentrações iniciais maiores de solvente orgânico, são esperadas reduções de diâmetro maiores. Ao fazer os polímeros PEG-PLA, são esperadas mudanças modestas no PDI, o que pode indicar uma mudança de forma. Ao dialiser polímeros PEG-PLGA, que são ligeiramente mais hidrofóbicos do que polímeros PEG-PLA contra o sal, o aumento do PDI é mais consistente com o alongamento com todos os gradientes de sal explorados levando a um aumento do PDI.Resultados semelhantes devem ser observados ao usar um gradiente de sal de 50 mililitros para causar uma mudança de forma, independentemente da hidrofóbica do poliéster. Enquanto isso, 100 e 200 milimônios de gradientes de sal de cloreto de sódio mostram a tendência direta de que o PDI delta aumenta com o aumento da hidrofóbica do poliéster. Imagens tem de polímeros PEG-PLA diariadas com 50 milhões de cloreto de sódio inferior mostraram com estomatócitos e hastes alongadas.À medida que a concentração de sal aumentou para 100 milimilas, observou-se um aumento da formação de hastes com diminuição do número de estomatócitos. A diálise contra 200 polímeros milimilas formava prolatos mais consistentemente formados com proporções modestas. A parte mais desafiadora deste protocolo é fazer o polímero de forma consistente.Por isso, é importante praticar o procedimento.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Engineering Biological-Based Vascular Grafts Using a Pulsatile Bioreactor

Engenharia Biológica Baseado em enxertos vasculares Usando um biorreator pulsátil

Much effort has been devoted to develop and advance the methodology to regenerate functional small-diameter arterial bypasses. In the physiological ...

Bioengenharia

Shape Memory Polymers for Active Cell Culture

Forma Polímeros Memória da Cultura célula ativa

Shape memory polymers (SMPs) are a class of "smart" materials that have the ability to change from a fixed, temporary shape to a pre-determined permanent ...

Microfluidic Fabrication of Polymeric and Biohybrid Fibers with Predesigned Size and Shape

Fabricação microfluida de fibras poliméricas e biohibridas com tamanho e forma predesigned

A &#8220;sheath&#8221; fluid passing through a microfluidic channel at low Reynolds number can be directed around another &#8220;core&#8221; stream and ...

Fabrication of a Bioactive, PCL-based "Self-fitting" Shape Memory Polymer Scaffold

Fabricação de uma baseada em PCL Bioativos, &quot;Self-fitting&quot; Memória de Forma Polymer Andaime

Tissue engineering has been explored as an alternative strategy for the treatment of critical-sized cranio-maxillofacial (CMF) bone defects. Essential to ...

Forming Giant-sized Polymersomes Using Gel-assisted Rehydration

Formando polymersomes de tamanho gigante usando hidratação Gel-assistida

Polymer vesicles, or polymersomes, are being widely explored as synthetic analogs of lipid vesicles based on their stability, robustness, barrier ...

Ammonia Synthesis at Low Pressure

Síntese de amônia a baixa pressão

Ammonia can be synthesized at low pressure by the use of an ammonia selective absorbent. The process can be driven with wind energy, available locally in ...

Pattern-based Search of Epigenomic Data Using GeNemo

Pesquisa baseada em padrões de dados Epigenomic usando GeNemo

Compared with the robust text-based search tools for genomic or RNA sequencing data, current methodologies for pattern-based searches of epigenomic and ...

Antimicrobial Peptides Produced by Selective Pressure Incorporation of Non-canonical Amino Acids

Peptídeos antimicrobianos produzidos pela incorporação de pressão seletiva de aminoácidos não-canônicos

Nature has a variety of possibilities to create new protein functions by modifying the sequence of the individual amino acid building blocks. However, all ...

Light-sheet Fluorescence Microscopy to Capture 4-Dimensional Images of the Effects of Modulating Shear Stress on the Developing Zebrafish Heart

Microscopia de fluorescência de luz-folha para capturar imagens 4-Dimensional dos efeitos de modulação de tensão de cisalhamento sobre o coração em desenvolvimento de Zebrafish

The hemodynamic forces experienced by the heart influence cardiac development, especially trabeculation, which forms a network of branching outgrowths ...

A Rapid Image-based Bacterial Virulence Assay Using Amoeba

Um ensaio rápido de virulência bacteriana baseada em imagem usando ameba

Traditional bacterial virulence assays involve prolonged exposure of bacteria over the course of several hours to host cells. During this time, bacteria ...