フラッシュ NanoPrecipitation (FNP) は、高分子コア-シェル粒子を生成するスケーラブルなアプローチです。疎水性または親水性の治療薬のカプセル化のための実験室規模製剤を説明します。
治療化合物のナノ粒子 (NPs) への定式化は、ユニークな特性を与えることができます。難水溶性薬物の NP 製剤は、バイオアベイラビリティを改善し、体内の薬剤分布を変更できます。ペプチッドまたは蛋白質のような水溶性薬物は、NPs 内のカプセル化にも自然のクリアランス機構からの保護を提供できます。拡張性の高い、高分子の NPs の生産のためのほとんどのテクニックがありません。フラッシュ NanoPrecipitation (FNP) は、使用するプロセス設計狭い粒径分布と 30 〜 400 nm の間の波長可変サイズ NPs を生成する混合ジオメトリです。このプロトコルは、FNP を使用してターゲット サイズのナノ粒子を高分子コア-シェルの実験室規模の生産について説明をします。唯一のマイナーな修正と親水性または疎水性化合物をカプセル化するプロトコルを実装できます。技術は画面製剤にミリグラムのスケールで研究室で容易に用いることができます。鉛ヒットすることができます直接スケール アップ グラムとキログラム スケールに。継続的なプロセスとしてスケール アップには、新しい容器への変換ではなく長くミキシング プロセスの実行時間が含まれます。FNP によって生成される NPs が治療で高負荷、高密度の安定化ポリマー ブラシ、± 6% のサイズの再現性を付いてください。
1990 年代後半以来、ナノ材料1,2を用いた臨床試験数の着実な増加があった。金利上昇は、疎水性薬物のバイオアベイラビリティを改善するために、3体で優先ターゲットを有効にするナノ材料の約束を反映しています。高分子ナノ粒子 (ナノ粒子または呼ば NPs ここ) は、材料2のこのクラスの成長割合を表します。NPs は、彼らはサイズ、組成、表面機能化4など高度の特性を持っているので、関心を集めています。難水溶性薬物の管理に適用する、NPs はよく治療上の疎水性コアにカプセル化されて、親水性ポリマー ブラシ成っているシェル コア-シェル構造を持ちます。この構造を生成する単純な方法を採用、両親媒性ジブロック共重合体 (BCP) 粒子のコアの一部を形成する、分解性疎水性ブロックから成ると親水性 poly(ethylene glycol) (PEG) のブロックは、ポリマー ブラシを形成して立体安定4,5を与えます。
シンプルとはエネルギー集中6だから、Nanoprecipitation は高分子ナノ粒子作製手法が一般的です。最も単純な形式で nanoprecipitation には NP コンポーネント攪拌水の余分なボリュームにアセトンのような有機溶媒中でのピペットで追加が含まれます。溶媒不溶性のコア コンポーネントの沈殿物の希薄水溶液に変更。この成長の粒子表面にスタビライザーを組み立てる折りたたまれた疎水性ブロック7,8,9,10の吸着による監督します。均一な粒子径分布は、溶剤と水が急速に均一溶液を形成する混合時に取得されます。混合、核形成と大規模に部品結果のアセンブリより多くの多粒子の人口よりも遅くなります。簡単なテストのためアクセスしやすく、撹拌したバッチのアプローチ結果のばらつきが大きく、矛盾を混合のために、スケール アップ6,11に従順ではないです。マイクロ流体は連続的に実行することができます NP 生産に別の道として浮上しています。この生産手段は最近鼎らによって検討されています。11.一般的なアプローチは、サブミクロン値に溶剤の長さスケールを減らすに焦点を当てた流を使用しています。小さな流れ寸法が均一な粒子11,12のために重要、拡散することにより、antisolvent の混合が発生します。スケール アップのための複数のマイクロ流体チャンバーの並列化は、大量生産の問題です。
マイクロ流路中の制服 nanoprecipitation を支持する急速混合条件は、限られた、乱流の交互製作可能します。フラッシュ NanoPrecipitation (FNP) では、マイクロ流体と可能なより高い体積流量の下でこれらの条件を達成する特別な混合ジオメトリを採用しています。入口ストリーム拡散11,13の長さスケール上に溶剤/反 solvent ラメラを形成、渦の生成につながる乱流の条件の下で混合チャンバを入力します。したがって、核形成と治療上の成長よりも短い時間スケールでの均一混合が達成されます。ミキサーの限られたジオメトリは、乱流エネルギー散逸が発生する全体のシステムを経験する同じプロセスの歴史13地域のストリームをバイパスするを許可しません。混合室で均一に発生する核形成と粒子成長の表面9,14に BCP のアセンブリによって停止まで進行。安定した粒子を含む混合ストリーム可能性がありますオストワルド成長を抑制するための追加の antisolvent で希釈し、粒子15,16,17の熟成します。
閉じ込められた衝突噴流 (CIJ) ミキサーの FNP の最も簡単なミキサー設計と拡張性と継続的なファッション、図 1A13に示すように 2 つのストリームの混合が可能します。図 1B18に示すように、均一な粒子の形成に必要な迅速なミクロ混合を実現しながら最大 4 つの別のストリーム入力を有効にするマルチ入口渦のミキサー (MIVM) が開発されました。FNP は商業スケールの生産に容易に翻訳できる単純な定式化スクリーニングできます。プロセスの継続的な性質のため、バッチ サイズが大きいは、実行時間ではなく、もはや、同じ機器鉄道キログラム規模生産に有効にする簡単な翻訳、新しい血管を必要はありません。
ペプチドおよびタンパク質 (‘生物学的製剤’) などの親水性の化合物は、プロセスと呼ばれる逆フラッシュ NanoPrecipitation (iFNP) でもカプセル化できます。テクニックには、両親媒性 1 つのブロックは疎水性、他は polyacid19BCP が必要です。最初の手順では、生物学的を含むジメチル ジメチルスルホキシド (DMSO) ストリームとジクロロ メタンやクロロホルムなどの脂溶性溶剤に対して BCP の急速な混合をします。これは、結果、疎水性ブロック ブラシで安定した粒子の形成。ここでは、このようなアーキテクチャの ‘逆’ NP と呼ぶが。イオンでは、その polyacid を含んでいる多価カチオンを使用して架橋。これは文学19,20,21で報告されている手法によって微粒子や PEG 被覆ナノ粒子の形で水溶液環境に粒子を安定させます。
コア-シェルの疎水性または親水性化合物をカプセル化する高分子ナノ粒子の実験室規模の生産のため、このプロトコルを用いることができます。プロトコルのサブセクションでは、両方のミキサーのクラス – CIJ と、MIVM の使用について説明します。読者は小説コア コンポーネントのプロトコルを適応し、再現性をもってストリーム入力の適切なミキサーを使用して目的のサイズのナノ粒子を生成することができるはず。FNP と iFNP を使用して 3 つの例製剤を以下に示します。2 つは CIJ ミキサーを採用し、MIVM15,22が必要です。最初の定式化は、モデルのカプセル化を示して疎水性FNP で化合物。2 番目の定式化を示します、モデルのカプセル化親水性CIJ ミキサーで iFNP による化合物。最終的な定式化は、iFNP、MIVM を使用して蛋白質のカプセル化の例を示します。この 3 番目の定式化のプロトコルは ‘μMIVM’ と呼ばれる小規模なハンドヘルドの MIVM の使用を説明します。ミキサーのデザインが簡略化された製剤スクリーニングのための許可する小さいが、スケーリングの動作を十分に理解し、ミキサーは、マイクロ流体デバイス22ではないです。プロトコルの最後のセクションには、スクリーニングで識別される鉛配合のスケール アップでいくつかのノートが含まれています。これらの製剤は、学習プロセスのアクセス ポイントを提供し、非分解性ポリ (スチレン) を使用して、その結果-ポリマーをベースします。代替安定剤は、生体適合性商業オプション利用できる14,23,24の数と、文献に記載されています。
プロトコルのステップ 1 のように、ビタミン E などの疎水性化合物のカプセル化は、広範囲にわたって説明9,14,28をされています。比較的単分散粒子は、混合の時間スケールは集計と粒子の成長のための時間スケールよりも短いので作り出されます。具体的には、混合溶剤/antisolvent 液急速になる同質、核が一様に発生することができます。その後、粒子表面にブロック共重合体のアセンブリは、粒子成長5を停止立体安定化を提供します。商工会議所 (乱流) における均一混合時間は CIJ または、MIVM 入口流量の関数で、本質的に定数13の粒子サイズが乱流混合への移行後に発生する吸気率があります。これは、いくつかのバッチにバッチ プロセスに追加の堅牢性を提供します (すなわち、注射器抑速) 入口流量の変動は図 3から見られるように最終的な NP サイズに大きな影響を与えず許容できます。低速または不均一な入口速度は、失火の例に見られるように、大きな粒子またはより多くの多分布で起因できます。FNP は、逆 NanoPrecipitation のフラッシュによって、親水性化合物ナノ粒子をカプセル化するため拡張されています。これらのナノ粒子が反転し、微粒子を作成または水分散性ナノ粒子25を作成するペグで被覆するために使用します。粒子コア架橋の複雑さがあるが、基になるアセンブリの原則は同じまま。これは、水溶液環境下における粒子の安定化のため必要です。一般的に、イオン間相互作用は基本19の添加による pH 調整によって昇格できますが polyacid ブロックと比較して 1:1 の電荷比で十分です。このプロトコルでは反転フォーム NPs に最初の工程だけが記載されています。
高速混合に加えて FNP または iFNP によって成功した定式化はいくつかの条件が満たされて9,14をすることができますのインスタンスに制限されます。最初に、すべての入力ストリーム混和する必要があります。エマルジョンは、NPs を生成する使用されている、FNP ミキサーで均一ソリューション フェーズが必要です。第二に、コア コンポーネントがあります (CIJ、ボリュームで 50/50 の混合物) のミキサーで溶媒条件でほぼ不溶解性急速な核生成を駆動します。そうでなければ、重要な部分はカプセル化されていないままになります。 または antisolvent で希釈してさらに沈殿させます。MIVM は、アドレス コア材料の溶解度限界に混合室で高い antisolvent コンテンツを有効にできます。プロセス デザイン9をガイドする溶媒組成の関数としての溶解度データから過飽和曲線を生成すると便利は多くの場合。図 6は、2 つの化合物の代表的な曲線を示しています。通常、MIVM を使用して、異なる組成で混合チャンバー条件メリットで低過飽和の状態。高過飽和優先コア コンポーネントの核粒子成長が芯材の組立時間の不一致、スタビライザーが治療上の大きな凝集体起因できます。D’Addio と Prud’homme は、詳細9でこのような過飽和状態曲線の応用を検討しました。最後に、BCP は分子溶媒のストリームで溶解しなければならない、antisolvent ストリームを 1 つのブロックを選択する必要があります。BCP は、十分に駆動力安定剤粒子表面と粒子に立体安定性を付与する溶媒和ブロックのアンカーに折りたたまれたブロックから両方型を提供する両親媒性である必要があります。彼らはこれらの制約を満たしている限り、プロトコルに記載されている以外の溶媒を使用する可能性があります。
手動の注射器操作との練習は、スクリーニングの間に成功率を向上できます。前述のように、均質な乱流の混合条件への移行操作はプロセス28小さい流量の変化が許容されることを意味します。カラムのスケール アップ ポンプ駆動、コンピューター制御のフローにより、さらに大きなメリットを再現可能な入口流量のための一貫性。粒子の後処理中の任意の時点で検査または DLS の分析は付随のほこりや粒子の不安定性に起因することができます大きな凝集体の存在を示します。必要がある場合は、適切なフィルターのポアサイズとストリームをフィルターできます。集計がない場合は、ことがわかった以下 5% 質量が通常失われる公称径が粒子径分布より大きい場合、PEG 被覆ナノ粒子をフィルター処理する場合よりも。集計をフィルターしている場合は、プロセス中に失われた質量の測定が必要です。質量損失の定量化は、2 つの方法のいずれかで実施することができます。特定のボリュームの全固形物質量決定できます熱重量分析によるろ過前後変更の範囲を識別するために (補足情報セクション 2 を参照してください)。また、粒子は回復した (例えば、凍結乾燥によって) することができ、良溶媒に溶解しました。芯物質の濃度はは紫外可視吸光光度法やクロマトグラフィーなどの適切な手法で測定直接できます。
FNP、水性分散液から残留 10 vol % 有機溶媒 (例えばTHF) を削除する必要があります。これは蒸発蒸留14,29、透析30、または接線流ろ過31,32によって行うことができます。提供されている引用文献の処理ステップごとに実用的な考慮事項を説明します。透析、典型的な膜、3.5 kDa または 6-8 kDa カットオフが大きいオプションがあります。この分子量カットオフは、ときにいくつかのバスの変更を使用して 24 時間透析で溶剤を除去に十分です。接した流れのろ過の使用は、膜表面濃度分極による誘導を避けるために注意する必要がある、いくつかのプロセスの開発を伴います。我々 は、膜表面における凝集を排除システム依存値、2-10 vol % 通常以下有機溶媒組成を減らすことを発見しました。熱重量分析に処理後、ナノ粒子の濃度を容易に判定 (補足情報セクション 2 を参照してください)。運搬又は粒子を非常に安定した形で保管することが望ましいです。水性分散液は、ドライアイス/アセトン混合物を使用して迅速に、-80 ° C で保存し、単に固定できます。また、乾燥粉末は凍結乾燥33,34によって得ることができるまたはスプレー乾燥24。頻繁に凍結や乾燥中のナノ粒子凝集を抑える、保護剤の検討を追加する必要があります。糖(スクロース、トレハロース等)、poly(ethylene glycol)、またはシクロデキストリンを検査する有効性の濃度の範囲で DLS35,36,37、サイズを監視することによって 38。処理中に一般的な NP 安定性問題頻繁移動が増加、条件の下でより低いエネルギー状態への転位の結果としてコアで溶解または相分離に関連しています。改善安定性14,16,17,39,40、共同コア材料、代替安定剤または変更された外部溶液組成の使用を助けることができます。 41。
前述のように、MIVM 有効高過飽和度を達成する必要がある場合は、混合室に antisolvent 含量にします。それは 2 つ以上のストリームに種の物理的な分離のための反応性や溶解性の制約がそれを要求するときできます。例24抗生物質らいのゼイン タンパク質安定ナノ粒子の形成であります。アセトン ストリームで疎水性らいを導入します。60% エタノール水溶液ストリームでゼインを導入します。カゼイン、ゼイン、どの錯体は、水様バッファー ストリーム持って来、4 ストリーム、アセトン、エタノールへの水の比率を増加する追加のバッファーです。らいとゼインが一般的な溶媒に可溶ではないので、2 つの溶媒のストリームが必要です。このプロセスは 2 つジェット CIJ ミキサーで達成できなかった。このタンパク質安定製剤も FNP、BCP スタビライザーに限定されないことを示します。スタビライザー42なしヤヌス粒子が生成され、口腔のアプリケーション24低コスト安定剤の範囲が示されています。特に、ヒドロキシプロピルメチル セルロースなど共重合体は、ブロック共重合体の24の代わりに使用することができます。芯材は、テクニックの数によってより疎水性可能です。疎水性イオンのペアリングは、中間の溶解度43,44,45を持っている化合物の広い範囲をカプセル化に適用されています。非常に疎水性プロドラッグがされている生成され、46をカプセル化します。核酸は、カチオン性脂質47との錯形成によってカプセル化されました。重要なは、これらの研究は、FNP が粒子の表面化学の範囲を作り出すことができることを示しています。チェーンの端にターゲット ligand の変更されている BCP の一部を含むさらに、混合の安定剤が使用されています。これにより表面に配位子コンテンツを正確に制御、粒子成分が入力ストリーム構成23,48を反映しているので。同様に、染料、無機ナノ粒子3、8を含むだけでなく、複数のコア コンポーネントを組み込むことが可能です。
フラッシュ NanoPrecipitation は、疎水性や親水性のコアで構成される高分子ナノ粒子に拡張性の高いアプローチです。上記に列挙された条件を満たしている場合一般的に以上コア材の 95% はカプセル粒子の質量分率高で。次に示す 3 つの例は、ベンチ スケール、材料および各入口ストリーム約 0.5 mL の数ミリグラムが必要で実施されました。定式化の最適化のパーティクル条件の急速なスクリーニングが可能になります。バッチ サイズを大きくする鉛配合のスケール アップは、容易にシリンジ ポンプや流量コント ローラーを使用して達成することができます長く、プロセスの実行の問題です。対照的に、一括添加 nanoprecipitation のスケール アップ追加の時点で十分な気を維持し、容器の幾何学49の変更の効果のため会計に十分に文書化の課題に直面します。それは FDA の要件50を満たすために一貫した方法で粒子を製造することが重要なので、これは大きな障壁です。マイクロ流体技術はまた制服、再現性の高いナノ粒子を生成が、ミリグラムの範囲での生産を有効にするだけです。たとえば、Karnikらは、薬剤放出を 0.25 mg/分の生産量研究51報告。さらにスケール アップは通常12ドル高の首都で並列化を伴います。FNP、シリンジ ポンプやミキサーの入り江を結ぶいくつかの付属品 600 mg/分でのナノ粒子の 1 グラムを生成するは簡単です。したがって、FNP はアクセス可能な実験室規模のスクリーニング ツールとして NP 並進作業用にスケーラブルなアプローチを表しています。
The authors have nothing to disclose.
この作品は、Optimeos ライフ サイエンス、国立科学財団 (あわせて 1605816)、法案とメリンダ ・ ゲイツ財団 (BMGF, OPP1150755) と、国立科学財団大学院研究奨学金 (DGE-1656466) に与えられるからの資金によって支えられました。K.D.R.
Confined Impinging Jets Mixer | NA | NA | See supplemental information for engineering drawings. Review text for new mixer validation |
Luer fitting | Idex Health & Science | P-604 | Assemble on CIJ or MIVM mixer inlet with corresponding threads |
Plug fitting | Idex Health & Science | P-309 | Assemble on CIJ mixer sides (seal access point from drilling) |
Outlet fitting – CIJ | Idex Health & Science | P-205 | Assemble with ferrule and tubing on CIJ chamber outlet |
Outlet ferrule – CIJ | Idex Health & Science | P-200 | Assemble with outlet fitting (large end flush with tubing) |
Outlet tubing – CIJ | Idex Health & Science | 1517 | Use tubing cutter for clean ends. Ensure extra tubing doesn't protrodue into mixing chamber |
Tetrahydrofuran (THF) | Fisher Scientific | T425-4 | Use stabilizer-free THF to avoid solubility limits of BHT. Peroxides may interfere in some applications. |
Norm-ject syringe (3 ml) | VWR | 53548-017 | |
Vitamin E (α-tocopherol) | Sigma-Aldrich | 90669-50G-F | Store cold |
poly(styrene-b-ethylene glycol), PS1.6k-b-PEG5k | Polymer Source | P13141-SEO | Other block sizes acceptable depending on application |
poly(styrene)1.8k | Polymer Source | P2275-S | Example hydrophobic core material |
Scintillation vial | DWK Lifesciences | 74504-20 | |
Luer-slip plastic syringes, 1ml (100 pk) | National | S7510-1 | |
Maltodextrin DE 4-7 | Sigma-Aldrich | 419672-100G | |
poly(styrene-b-acrylic acid), PS5k-b-PAA4.8k | Polymer Source | P5917-SAA | Other block sizes acceptable depending on application |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Fisher Scientific | D159-4 | |
Calcium chloride dihdyrate | Sigma-Aldrich | 223506-25G | Hygroscopic. |
Methanol | Fisher Scientific | A452-4 | |
Ammonium Hydroxide | Fisher Scientific | AC423300250 | |
Albumin from chicken egg white (Ovalbumin, OVA) | Sigma-Aldrich | A5503-1G | |
Multi-Inlet Vortex Mixer | NA | NA | See supplemental information for engineering drawings. Review text for new mixer validation |
Outlet fitting – MIVM | Idex Health & Science | P-942 | Combination with ferrule |
Outlet tubing – MIVM | NA | NA | Fit to ferrule ID. |
O-ring (MIVM) | C.E. Conover | MM1.5 35.50 V75 | Order bulk – consumable part. Ensure solvent compatibility if using an alternative source. |
Mixer stand | NA | NA | See Markwalter & Prud'homme for design.17 |