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Sartorius超滤产品在生物医学纳米载体制备中的应用

阅读:982        发布时间:2018/6/11
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Hannes Landmann博士,Sartorius Lab Instruments(德国哥廷根)

Kristin Menzel博士、科学作家(德国哥廷根)

 

1908年,Paul Ehrlich受到“Zauberkugel”概念的启发,在理论上描述了将毒性药物组装到所谓的纳米载体上。1 如今,纳米载体已在现代医学和生物技术领域有多种应用。这些特殊纳米材料的一项关键应用就是药物定向输送,它们可发挥药物活性成分转运模块 (即:纳米颗粒、囊泡或胶束) 的作用。2,3,4,5人们推测这种方式与传统给药方法相比对人体更为有效,且毒性更低。6除了药物输送外,过去数十年间还发展出其他一些应用纳米载体的领域,例如利用金属纳米颗粒进行磁共振成像或干细胞基因治疗,7,8 或者利用量子点进行光学成像。9

 

纳米载体可以按照其初始材料 (即;金属、脂质、聚合物和蛋白) 以及制成后的构成 (即:囊泡、颗粒和胶束) 进行分类。一般而言,水性介质中纳米颗粒混悬液或囊泡分散液的制备包括三个步骤:a) 纳米载体组装 (例如通过注射、薄膜水化或反相蒸发)b) 纯化 (例如:色谱、透析或超滤) c) 浓缩 (如超滤或蒸发)

 

这份短篇综述举例介绍了近期关于纳米载体制备的一些文献。重点介绍了浓缩和纯化步骤,该步骤使用不同孔径 (相应的截留分子量 (MWCO)) Sartorius Vivaspin® Vivaflow® 设备通过超滤完成。Vivaspin® 系列产品的体积范围是从0.5 mL20 mL,而Vivaflow® 系统则涵盖了从0.05升到5升的范围。因此,Sartorius能够处理的样本体积、膜材料和MWCO范围,可满足不同预期用途的需求。这方面的挑战包括合成后的缓冲液更换、脱盐和清洗10,11、去除溶解的化合物12,13,14 或聚集物。15

 

 

纯化过程十分重要,通过纯化可以达到等渗状态,以便在体内应用时避免发生聚集或凝聚,还可去除毒性药物、配体或其他可能引起副作用的物质。浓缩步骤的重要意义在于调节药物中活性成分的含量,以便达到预期的治疗或诊断效果。

 

纯化时,通过分子排阻色谱 (SEC) 将游离物质 (起始材料) 与预期得到的纳米载体分离,这不可避免地导致产物稀释,并且需要后续的浓缩步骤。相比之下,透析过滤纯化时不会导致显著的稀释,但如果需要较高的纳米载体浓度,仍需要使用浓缩步骤。两种分离方法均需要大量昂贵且耗时的手工操作。通过Vivaspin® 离心或者使用Vivaflow® 系统的蠕动泵进行超滤可克服这一缺点。该技术成本较低,操作迅速,人工操作极少。值得一提的是,纯化和浓缩步骤可同时进行。16

 

纳米载体纯化后,通常需要测定载药量 (偶联或包囊效率)。偶联或包囊效率是描述和鉴定纳米载体的一个参考值。其他重要性质包括ζ电位和粒径分布,后者可通过光子相关光谱 (PCS)、高分辨率传递电子显微镜 (HRTEM) 成像或动态光散射 (DLS) 测定。在进行这些不同的鉴定前,需要成功地对混悬液或分散液进行纯化和浓缩。

 

下表为您概括列出了使用超滤步骤对各种纳米载体进行纯化和浓缩的文献。该表还可指导您使用多大的MWCO

 

 

1汇总了使用Sartorius Vivaspin® 或Vivaflow® 进行纳米载体超滤的应用示例:

纳米载体:纳米颗粒、囊泡、胶束

通过 (HR)TEMDLS获得粒径分布,通过PCS或其他方法获得Z-平均值 (如有报道)

应用

自金属、金属氧化物和功能化金属的纳米颗粒

带有含顺铂聚合物涂层的氧化铁纳米颗粒

SD4.5 ± 0.9 nm (X-射线衍射分析法)

磁共振成像

功能化氧化铁纳米颗粒

SD3840 nm (DLS)

干细胞基因治疗和追踪

金纳米颗粒

SD0.8 – 10.4 nm (原子力显微镜法)

抗菌活性

蛋白包被的金纳米颗粒

SD1580 nm (TEM)

药物输送

功能化金纳米颗粒

核心SD2 nm (TEM)

靶向成像工具和抗原输送

功能化钆纳米颗粒

 

Z-平均值:1.1 ± 0.6 nm4 – 14 nm

诊断和治疗应用

功能化纳米晶体

 

SD10 to 20 nm

量子点成像

来自聚合物、功能化聚合物和高分子囊泡的纳米颗粒

聚合物纳米颗粒

 

药物输送

凝胶多糖包被的聚合物纳米颗粒

Z-平均值:280 – 480 nm,具体取决于组成

巨噬细胞刺激活性和药物输送

多西紫杉醇-羧甲纤维素聚合物纳米颗粒

Z-平均值:118 ± 1.8 nm

抗癌功效研究

功能化高分子囊泡

Z-平均值:185 nm

表面功能化研究

脂质纳米颗粒和脂质体

脂质体和胶束

Z-平均值:脂质体100 nm,胶束15 nm

缺血再灌注损伤

固态脂质纳米颗粒

Z-平均值:100 – 120 nm,具体取决于所用脂质

药物输送 (脑靶向)

细菌外膜囊泡

SD124 nm (TRPS)

可调电阻脉冲传感 (TRPS) 分析

细菌外膜囊泡

 

基础研究

细菌外膜囊泡

SD95 nm

基础研究

细菌外膜囊泡

SD50 – 150 nm (TEM)

基础研究

脂质体

 

药物输送

脂质体

 

胶囊亲水性药物

(药物输送)

胶束

胶束

 

药物输送

基于聚合物的疏水性药物胶束

SD (DLS)39 – 165 nm,具体取决于所用化合物

药物输送

蛋白纳米颗粒

蛋白纳米颗粒

SD20 – 40 nm (DLS)

药物载体研究

SD = 粒径分布

 

 

Sartorius超滤

设备

MWCO

超滤目的

参考

文献

Vivaspin® 20

 

100 kDa

纯化和浓缩步骤

7

Vivaspin® 20

100 kDa

清洗步骤

8

Vivaspin® 20

5 kDa

纯化步骤

17

Vivaspin® 6

10 kDa

分离纳米颗粒 | 染料和清洗

18

Vivaspin®

10 kDa

纯化步骤

19

Vivaspin®

5 kDa10 kDa

纯化和浓缩

20, 21

Vivaspin®

300 kDa

50 kDa

(计数前) 从初始材料中分离出量子点-抗体偶联物

9

Vivaspin®

30 kDa

纯化和浓缩

22

Vivaspin® 20

3 kDa

清洗

23

Vivaspin®

10 kDa

浓缩步骤

24

Vivaspin® 20

10 kDa

浓缩步骤

3

Vivaspin® 20

100 kDa

浓缩步骤

25

Vivaflow® 50

100 kDa

纯化步骤

26

Vivaflow® 200

100 kDa

缓冲液更换和浓缩步骤

27

Vivaspin® 20500

100 kDa

缓冲液更换和浓缩步骤

28

Vivaflow® 200

100 kDa

缓冲液更换和浓缩步骤

29

Vivaspin®

100 kDa

缓冲液更换和浓缩步骤

30

Vivaspin®

100 kDa

外部缓冲液更换

2

Vivaflow® 50

100 kDa

去除游离药物

31

Vivaspin®

30 kDa

分离游离物质和浓缩步骤

4

Vivaflow®

 

 

去除表面活性剂

14

Vivaspin® 500

3 kDa

将游离药物与胶囊药物分离 (通过后续的紫外线-可见光分析进行药物结合定量)

32

 

参考文献

1.Strebhardt, K & Ullrich,A:

Paul Ehrlich's magic bullet concept: 100 years of progress8, 473- 480 (2008).

2.Jakoby,J.. Beuschlein, F., Mentz, S. Han,C. & Süss, R:

Liposomal doxorubicin for active targeting: Surface modification of the nanocarrier evaluated in vitro and in vivochallenges and prospects Oncotarget 6, (2015).

3.Klermund, L, Poschenrieder,S &t Castiglione, K:

Simple surface functionalization of polymersomes usingnon-antibacterial peptide anchors. J. Nanobiotechnology14, 48 (2016).

4.Mulder, W.J. M. et al..

Molecular imaging of macrophages in atherosclerotic plaques using bimodal PEG-micelles. 

Magn. Reson. Med. 58,11641170(2007).

5.Murthy.S. K:

Nanoparticles in modern medicine: state of the art and futurechallenges. 

Int. J. Nanomedicine2, 129-41 (2007).

6.Voigt, R. & Fahr, A:

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Development and characterization of magnetic iron oxidenanoparticles with a cisplatin-bearing polymer coatingfor targeted drug delivery. IntJ Nanomedicine93659- 3676 (2014).

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Multi-modal transfection agent based on monodispersemagnetic nanoparticles for stem cell gene deliveryand tracking. Biomaterials 35, 72397247 (2014).

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New insights into the structure of PAMAM dendrimer/goldnanoparticle nanocomposites. Langmuir 27, 6759- 6767(2011).

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12.Allard, E. & Larpent, C:  24Core shell type dually fluorescent polymer nanoparticles forratiometric pH-sensing. J. Polym. Sei. Part A Polym. Chem.46,62066213 (2008).

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17.Boda,S.K etal.:Cytotoxicity of Ultrasmall Gold Nanoparticles on Planktonicand Biofilm Encapsulated GramPositive Staphylococci.Small 1, 31833193 (2015).

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Nanoparticles for Targeted Delivery of Active Agent. (2008).

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Preclinical pharmacokinetic, biodistribution and anticancerefficacy studies of a docetaxel-carboxymethycellunanoparticle in mouse mooels. Biomaterials 33,14451454 (2012).

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Passive targeting of lipid-based nanoparticles to mousecardiac ischemia-reperfusion injury. Contrast Media Mol.Imaging8, 117-126 (2013).

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27.BogomoIny.E. et al:

Analysis of bacteria derived outer membrane vesicles usingtunable resistive pulse sensing. Prog. Biomed. Opt. Imaging =Proc. SPIE 9338, 4-9 (2015)

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29.Twu,O.etal Trichomonas vaginalis Exosomes Deliver Cargo to Host Cellsand Mediate Host:Parasite Interactions.  PLoS Pathog.9,2224 (2013).

30.Tong.T. T.. Mörgelin, M.. Forsgren, A. & Riesbeck, K.:

Haemophilus influenzae Survival during Complement-Mediated Attacks Is Promoted by Moraxeila catarrhalis OuterMembrane Vesicles. J. Infect. Dis. 195, 16611670 (2007).

31.Prado, J. M. D.. Antoranz,J.R. C. Barroeta, M.Á.E..Barroeta, B. E. & Diaz, M.C.:Liposomal formulations. (2009).

32.Achilli,E. etal..Preparation of protein nanoparticle by dynamic aggregation

and ionizing-induced crosslinking. Colloids SurfacesA

Physicochem. Eng. Asp. 486, 161171 (2015).

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