生物纳米颗粒和医用纳米载体中超滤分析检测方案(微滤系统)

SARTORIUS应用指南 2021年11月5日 关键词或短语： 纳米颗粒、纳米载体、脂质体、囊泡、胶束 简评赛多利斯超滤产品在生物纳米颗粒和医用纳米载体制备中的效果 Hannes Landmann博士 Kristin Menzel博士? 1.Sartorius Lab Instruments GmbH & Co.KG，Otto-Brenner-Strasse 20， 37079， Goettingen， Germany， 2.Sartorius Stedim Biotech GmbH August-Spindler-Strasse 1137079 Goettingen， Germany *联系我们 电子邮箱： john.cashman@sartorius.com 摘要 本篇简评概述了各种生物纳米颗粒和医用纳米载体的超滤。本文中，采用超滤法从基质中纯化、浓缩和分离纳米颗粒。讨论的纳米材料包括金属、聚合物、脂质(囊泡和胶束形式)和蛋白质。针对这些典型应用和材料，提供用于选择具有最佳截留分子量(MWCO)的理想超滤设备的指南。 Paul Ehrlich 在1908年首次从理论角度描述组装到所谓"纳米载体"上的毒性药物时，受到"魔弹"*理念的启发。如今，纳米载体已在现代医学和生物技术中具有多种应用。这些特殊纳米材料的一项关键应用是药物靶向递送，从中用作活性成分的转运模块(即作为纳米颗粒、囊泡或胶束)。23.4.5与传统施用的药物相比，认为此方法更高效且对(人体)生物体的毒性更小。除药物递送外，在过去数十年中逐渐呈现使用纳米载体的各种其他领域；例如，使用金属基纳米颗粒进行磁共振成像或干细胞基因治疗78，或使用量子点进行光学成像。 纳米载体可按起始物料(即基于金属、脂质、聚合物和蛋白质)和制备后的形态(即囊泡、颗粒和胶束)进行分类。一般而言，在水介质中制备纳米颗粒混悬液或囊泡分散体时包括三个步骤：a)组装纳米载体(例如采用注射、薄膜水合或反相蒸发法)，b)纯化(例如采用色谱、透析或超滤法)以及c)浓缩(例如通过超滤或蒸发法)。 本篇简评提供了有关纳米载体制备的近期文献示例。重点关注的是通过使用具有不同孔径(即截留分子量，MWCO)的赛多利斯Vivaspin@或Vivaflow@设备进行超滤而执行的浓缩和纯化步骤。Vivaspin@产品组合涵盖的体积范围为0.1至20mL， 而 Vivaflow@系统涵盖的体积范围为0.1至5L。因此，赛多利斯可提供无可比拟的广泛可处理样品体积、膜材料和MWCO以满足其预期用途的不同要求。在此背景下面临的挑战是合成后的缓冲液置换、脱盐和洗涤10.11、清除可溶性化合物12.13.14或聚集体。15 纯化对于以下方面而言至关重要：获得适合体内应用的等渗条件；防止聚集或凝聚；去除游离毒性药物、配体或其他可能引发副作用的基质。浓缩步骤对于以下方面而言至关重要：调整药物中的药用活性成分含量；达到预期治疗或诊断效果。 在纯化过程中，通过尺寸排阻色谱法(SEC)从所需纳米载体中分离游离物质(起始物料)时会不可避免地造成稀释，因而有必要执行后续浓缩步骤。相比之下，采用透析法进行纯化时不会发生显著稀释，但如果需要获得更高纳米载体浓度，可能仍须执行浓缩步骤。这两种分离方法均需投入大量、高成本且耗时的人工处理。理过在Vivaspin@离心时进行超滤或在Vivaflow@系统中使用蠕动泵，可克服这一缺点。该技术成本更低，并且只需极少人工投入即可快速实施。值得注意的是，纯化和浓缩步骤同时进行。16 纯化纳米载体后，通常要测定载药量(结合或包封效率)。结合或包封效率是用于描述和表征纳米载体的参考值之一。其他重要特性是Zeta电位和粒度分布(通过光子相关光谱[PCS]、高分辨率透射电子显微镜[HRTEM]成像或动态光散射[DLS]法测定)。在进行这些不同表征之前，混悬液或分散体的成功纯化和浓缩至关重要。 下标概述了关于采用超滤步骤对不同种类纳米载体进行纯化和浓缩的出版物。表2提供了有关使用哪些设备和MWCO的指南。 表1总结了使用赛多利斯Vivaspin@或Vivaflow@的纳米载体超滤应用示例： 纳米载体： 通过(HR)TEM 或 DLS法获得的粒度分布， 应用 参考文献 纳米颗粒、囊泡、胶束 通过PCS法获得的Z-平均值及其他(如已报告) 来自金属、金属氧化物和功能化金属的纳米颗粒 具有含顺铂聚合物涂层的氧化铁纳米颗粒 SD：4.5±0.9nm(X射线衍射分析法) 磁共振成像 7 功能化氧化铁纳米颗粒 SD：38和40nm(DLS法) 干细胞基因治疗和追踪 8 金纳米颗粒 SD：0.8-10.4nm(原子力显微镜法) 抗微生物活性 17 具有蛋白涂层的金纳米颗粒 SD：15和80 nm(TEM法) 药物递送 18 功能化金纳米颗粒 核心-SD：2nm(TEM法) 靶向成像工具和抗原递送 19 功能化钆基纳米颗粒 Z-平均值：1.1±0.6nm 和4-14 nm 诊断和治疗应用 20，21 功能化纳米晶体 10至20nm 成像用量子点 9 来自聚合物、功能化聚合物和聚合物囊泡的纳米颗粒 聚合物基纳米颗粒 药物递送 22 具有凝胶多糖涂层的聚合物纳米颗粒 Z-平均值：280-480nm(取决于组成) 巨噬细胞刺激活性和药物递送 23 多西他赛-羧甲基纤维素聚合物纳米颗粒 Z-平均值：118±1.8 nm 抗癌有效性研究 4 功能化聚合物囊泡 Z-平均值：185nm 表面功能化研究 3 脂质纳米颗粒和脂质体 脂质体和胶束 Z-平均值：100nm(旨质体)和15nm(胶束) 缺血再灌注损伤 25 固体脂质纳米颗粒 Z-平均值：100-120nm(取决于所用的脂质) 药物递送(脑靶向) 26 细菌外膜囊泡 SD：124nm(TRPS法) 可调电阻脉冲传感(TRPS)分析 27 细菌外膜囊泡 基础研究 28 细菌外膜囊泡 SD：95nm 基础研究 29 细菌外膜囊泡 SD：50-150nm(TEM法) 基础研究 30 脂质体 药物递送 2 脂质体 包封亲水性药物(药物递送) 31 胶束 胶束 药物递送 4 基于聚合物的疏水性药物胶束 SD(DLS法)：39-165nm(取决于所用的化合物) 药物递送 14 蛋白质纳米颗粒 蛋白质纳米颗粒 SD：20-40nm(DLS法) 药物载体研究 32 SD=粒度分布 表2列出了用于每种纳米载体超滤应用的赛多利斯设备和典型MWCO示例。 纳米载体： 赛多利斯超滤设备 MWCO 超滤用途 参考文献 纳米颗粒、囊泡、交束 来自金属、金属氧化物和功能化金属的纳米颗粒 具有含顺铂聚合物涂层的氧化铁纳米颗粒 Vivaspin 20 100 kDa 纯化和浓缩 7 功能化氧化铁纳米颗粒 Vivaspin 20 100 kDa 洗涤步骤 8 金纳米颗粒 Vivaspin 20 5kDa 纯化步骤 17 具有蛋白涂层的金纳米颗粒 Vivaspin@6 10 kDa 纳米颗粒|染料分离和洗涤 18 功能化金纳米颗粒 Vivaspin 10 kDa 纯化步骤 19 功能化钆基纳米颗粒 Vivaspin 5kDa和10 kDa 纯化和浓缩 20，21 功能化纳米晶体 Vivaspin@ 300kDa和50 kDa 从起始物料中分离量子点- 9 抗体结合物(计数前) 来自聚合物、功能化聚合物和聚合物囊泡的纳米颗粒 聚合物基纳米颗粒 Vivaspin 30 kDa 纯化和浓缩 22 具有凝胶多糖涂层的聚合物纳米颗粒 Vivaspin 20 3kDa 洗涤 23 多西他赛-羧甲基纤维素聚合物纳米颗粒 Vivaspin 10kDa 浓缩 4 功能化聚合物囊泡 Vivaspin 20 10 kDa 浓缩 3 脂质纳米颗粒和脂质体 脂质体和胶束 Vivaspin@ 20 100 kDa 浓缩 25 固体脂质纳米颗粒 Vivaflow@50 100 kDa 纯化 26 细菌外膜囊泡 Vivaflow@200 100 kDa 缓冲液置换和浓缩 27 细菌外膜囊泡 Vivaspin@500和20 100 kDa 缓冲液置换和浓缩 28 细菌外膜囊泡 Vivaflow@ 200 100 kDa 缓冲液置换和浓缩 29 细菌外膜囊泡 Vivaspin 100 kDa 缓冲液置换和浓缩 30 脂质体 Vivaspin@ 100 kDa 外部缓冲液置换 2 脂质体 Vivaflow@ 50 100 kDa 消除游离药物 31 胶束 胶束 Vivaspin 30 kDa 游离底物分离和浓缩 4 基于聚合物的疏水性药物胶束 Vivaflow@ 去除表面活性剂 14 蛋白质纳米颗粒 蛋白质纳米颗粒 Vivaspin500 3 kDa 从包封药物中分离游离药物 32 (通过后续UV-vis分析进行 药物结合定量) ( (1)Strebhardt， K .& Ullrich， A.： P aul Ehrlich' s magic bullet concept：100 years of progress.8， 473-480 (2008). ) ( (2)Jakoby，J.， Beuschlein， F.， Mentz， S.， Hantel， C. &Suss， R.：Liposomal doxorubicin for active t argeting： Surface modification of the n anocarrier evaluated in vitro and in vivo-challenges and prospects.Oncotarget6，(2015). ) ( (3)Klermund， L.， P oschenrieder， S. 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