Mittels Ultraschall nanoverkapselter intranasaler Impfstoff gegen S. pneumoniae
Vorteil von in Nanopartikeln verkapselten Impfstoffen gegen S. pneumoniae
Mott et al. (2013) untersuchten, wie wirksam die intranasale Verabreichung eines 234 ± 87,5nm großen Impfstoffkonstrukts aus Poly(lactid-co-glycolid)-Nanopartikeln vor einer experimentellen Pneumokokkeninfektion der Atemwege schützt. Nanopartikel, die durch Hitze abgetötete Streptococcus pneumoniae einschlossen (NP-HKSP), verblieben im Vergleich zu leeren NP noch 11 Tage nach der nasalen Verabreichung in der Lunge. Die Immunisierung mit NP-HKSP führte zu einer signifikanten Resistenz gegen Infektionen mit S. pneumoniae im Vergleich zur alleinigen Verabreichung von HKSP. Der erhöhte Schutz korrelierte mit einer signifikanten Zunahme der antigenspezifischen, Th1-assoziierten IFN-c-Zytokinantwort der Lungenlymphozyten. Diese Studie belegt die Wirksamkeit der NP-basierten Technologie als nichtinvasiven und gezielten Ansatz zur nasal-pulmonalen Immunisierung gegen Lungeninfektionen.
Protokoll zur Herstellung von Nanopartikeln mittels Ultraschall
Ultraschall-Lyse
1×106 Nanopartikel, die durch Hitze abgetötete Streptococcus pneumoniae einschlossen (NP-HKSP), wurden durch Beschallung in 200µl phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) lysiert, und 70 mg Poly(lactid-co-glycolid) (PLGA) wurden in 1 ml Ethylacetat gelöst. Diese beiden Lösungen wurden gemischt und für 1 min bei maximaler Drehzahl auf einem Vortexmischer behandelt, um eine primäre Wasser-in-Öl-Emulsion zu bilden.
Verkapselung mittels Ultraschall
Doppelemulsionsverfahren: Die primäre Emulsion wurde anschließend mit 3 ml einer 1%igen Polyvinylalkohol-Lösung (PVA) gemischt. Diese Lösung wurde mit dem Ultraschallprozessor UP200H (Hielscher Ultrasonics GmbH, Deutschland) bei 40 % Amplitude für 2 min im Dauerbetrieb (100% Einschaltdauer) in einem sauberen, zur Wärmeabfuhr in Eis eingebetteten Glasgefäß beschallt, um PLGA-Nanopartikel herzustellen, die HKSP einschließen. Die Lösung wurde mit autoklaviertem Wasser (über einen 0,22µ-Filter sterilfiltriert) auf 20ml verdünnt und für 1 h bei Raumtemperatur unter leichtem Vakuum gerührt, um Ethylacetat zu verdampfen. Anschließend wurde die Lösung zentrifugiert, um die NP abzutrennen. Dieser Vorgang wurde zweimal wiederholt, um überschüssiges PVA zu entfernen. Das Nanopartikelpellet wurde in 500µl autoklaviertem Wasser resuspendiert und gefriergetrocknet. Die fertigen Nanopartikel wurden bis zur weiteren Verwendung bei -20°C gelagert.
Partikelgröße von PLGA-Nanopartikeln, die durch Hitze abgetötete Streptococcus pneumoniae einschließen. Die mittels dynamischer Lichtstreuung an einer wässrigen Nanopartikelsuspension gemessene Partikelgröße zeigt die mittlere Größe und die Gauß-Verteilung der Partikel in der Charge.
Quelle: Mott et al.: Intranasal delivery of nanoparticle-based vaccine increases protection against S. pneumoniae. J Nanopart Res (2013) 15:1646.
Ultraschallhomogenisator UIP2000hdT (2kW) mit kontinuierlich gerührtem Chargenreaktor
Ultraschallprozessoren für pharmazeutische Formulierungen
Hielscher Ultrasonic verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Herstellung, im Vertrieb und im Service von Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für die Pharma- und Lebensmittelindustrie.
Bei der Herstellung hochwertiger Liposomen, fester Lipidnanopartikel, polymerer Nanopartikel und Cyclodextrinkomplexe werden Ultraschallsysteme von Hielscher mit hoher Zuverlässigkeit und hervorragender Ergebnisqualität eingesetzt. Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen eine präzise Kontrolle aller Prozessparameter wie Amplitude, Temperatur, Druck und Beschallungsenergie. Die intelligente Software protokolliert automatisch alle Beschallungsparameter (Uhrzeit, Datum, Amplitude, Nettoenergie, Gesamtenergie, Temperatur, Druck) auf der integrierten SD-Karte.
- Leistungsstarke Emulgierung
- Exakte Kontrolle von Partikelgröße und Beladung
- Hohe Wirkstoffbeladung
- Exakte Kontrolle der Prozessparameter
- Schneller Prozess
- Nichtthermisch, präzise Temperaturkontrolle
- Lineare Skalierbarkeit
- Reproduzierbarkeit
- Prozessstandardisierung / GMP
- Autoklavierbare Sonotroden und Reaktoren
- CIP / SIP
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
Kontaktieren Sie uns! / Fragen Sie uns!
Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren vom Labormaßstab bis zum Pilotmaßstab und industriellen Maßstab.
Literatur/Quellen
- Brittney Mott; Sanjay Thamake; Jamboor Vishwanatha; Harlan P. Jones (2013): Intranasal delivery of nanoparticle-based vaccine increases protection against S. pneumoniae. J Nanopart Res (2013) 15:1646.
- Zhiguo Zheng; Xingcai Zhang; Daniel Carbo; Cheryl Clark; Cherie-Ann Nathan; Yuri Lvov (2010): Sonication-assisted synthesis of polyelectrolyte-coated curcumin nanoparticles. Langmuir: the ACS Journal of Surfaces and Colloids, 01 Jun 2010, 26(11):7679-7681.
Wissenswertes
Nanostrukturierte Wirkstoffträger
Nanoskalige Wirkstoffträger wie Nanoemulsionen, Liposomen, feste Lipidnanopartikel, polymere Nanopartikel und nanostrukturierte Lipidträger werden zur Formulierung von Arzneimitteln mit verbesserten Eigenschaften eingesetzt. Dazu zählen eine verbesserte Bioverfügbarkeit, erhöhte Biokompatibilität, gezielte Wirkstoffabgabe, eine günstige Halbwertszeit im Blut und eine sehr geringe oder keine Toxizität gegenüber gesundem Gewebe. Die Ultraschallbehandlung ist eine hocheffiziente Technik zur Formulierung verschiedener Arten von Nanotherapeutika. Erfahren Sie mehr über Ultraschallanwendungen in der pharmazeutischen Produktion!
Liposomen
Ein Liposom ist ein kugelförmiges Vesikel mit mindestens einer Lipiddoppelschicht, die einen Kern aus hydrophoben Substanzen umschließt. Sowohl ihre Größe als auch ihr hydrophober und hydrophiler Charakter machen Liposomen zu leistungsfähigen Wirkstoffverabreichungssystemen, z. B. für liposomales Vitamin C. Die Eigenschaften von Liposomen werden wesentlich durch die Lipidzusammensetzung, Oberflächenladung, Größe und Herstellungstechnik beeinflusst. Klicken Sie hier, um mehr über die Herstellung von Liposomen mittels Ultraschall zu erfahren!
Nanoemulsionen
Nanoemulsionen oder Submikronemulsionen sind Emulsionen mit einer Tröpfchengröße von 20–200nm und einer engen Tröpfchengrößenverteilung. Die nanoskaligen Tröpfchen bieten mehrere Vorteile für die orale Verabreichung sowie für die topische / transdermale Verabreichung pharmazeutischer und bioaktiver Substanzen, z. B. in CBD-Nanoemulsionen. Die Fähigkeit der nanoskaligen Tröpfchen, lipophile Wirkstoffe effizient zu lösen, sowie die erhöhte Resorptionsrate machen Nanoemulsionen zu einer häufig verwendeten Verabreichungsform für eine hohe Bioverfügbarkeit. Nanoemulgierte Formulierungen können auch zur verlängerten Freisetzung lipophiler oder hydrophiler Wirkstoffe eingesetzt werden.
Erfahren Sie mehr über die Herstellung von Nanoemulsionen mittels Ultraschall!
Feste Lipidnanopartikel
Ein festes Lipidnanopartikel (SLN) ist ein kugelförmiges Nanopartikel mit einem mittleren Durchmesser zwischen 10 und 1000 Nanometern. Feste Lipidnanopartikel besitzen eine feste Lipidkernmatrix, in der lipophile Moleküle (Wirkstoffe) solubilisiert werden können, sodass das Nanopartikel als Wirkstoffträger dient. Der Lipidkern wird durch einen Emulgator oder ein Tensid stabilisiert. Feste Lipidnanopartikel werden für die parenterale und orale Verabreichung sowie für die okuläre, pulmonale und topische Wirkstoffabgabe eingesetzt, um die Wirksamkeit der Behandlung zu erhöhen und systemische Nebenwirkungen zu verringern.
Erfahren Sie mehr über die ultraschallunterstützte Synthese fester Lipidnanopartikel!
Nanostrukturierte Lipidträger
Wie feste Lipidnanopartikel (SLN) sind auch nanostrukturierte Lipidträger (NLC) eine Form lipidbasierter Nanopartikel. Nanostrukturierte Lipidträger (NLC) sind modifizierte feste Lipidnanopartikel, die aus einer Mischung fester und flüssiger Lipide bestehen und eine verbesserte Stabilität sowie Beladungskapazität bieten.
Nanostrukturierte Lipidträger können durch Emulgierung mittels Ultraschall hergestellt werden.
Nanoskalige Kristalle
Kristallisation und Fällung mittels Ultraschall sind hocheffektive Verfahren, um Substanzen mit geringer Wasserlöslichkeit in einem beschichteten Kristall zu verkapseln. Zheng et al. (2020) berichten über die Verkapselung von Curcumin mittels Ultraschall. Curcumin ist eine bioaktive Verbindung mit vielen gesundheitlichen Vorteilen, weist jedoch aufgrund seiner geringen Wasserlöslichkeit eine geringe Bioverfügbarkeit auf. Das Forschungsteam entwickelte ein Verfahren zur schichtweisen Bildung von Nanohüllen aus Polyelektrolyten nach dem Layer-by-Layer-Prinzip (LbL), um die Curcuminmoleküle zu verkapseln. Sie erklären: „[u]Im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten Emulsionsverfahren lassen sich mit unserer ultraschallunterstützten LbL-Verkapselung wesentlich kleinere Nanopartikel erzielen. Für Curcumin erhielten wir kristalline Nanopartikel mit einer mittleren Größe von 80 nm und einem ξ-Potential von +30 mV oder -50 mV, wodurch die Stabilität dieser Nanokolloide über Monate gewährleistet wurde (bei Aufbewahrung in gesättigter Wirkstofflösung). Die Bildung von Hüllen mit zwei Doppelschichten aus biokompatiblen Polyelektrolyten ermöglichte eine langsame Wirkstofffreisetzung über etwa 20 Stunden.“
Das Protokoll zur Curcumin-Keimbildung: Curcuminpulver wurde in einer 60%igen Ethanol-Wasser-Lösung gelöst. Nach vollständiger Auflösung des Curcumins wurden wässrige Polykationen, Poly(allylaminhydrochlorid), PAH, oder biologisch abbaubares Protaminsulfat (PS) hinzugegeben. Anschließend wurde die Lösung mit einem UIP1000, einem 1kW starken Ultraschallgerät von Hielscher Ultrasonic, bei 100 Watt pro mL Lösung beschallt. Während der Ultraschallbehandlung wurde der Lösung langsam Wasser zugegeben. Durch das zugesetzte Wasser wird das Lösungsmittel polarer, wodurch die Löslichkeit von Curcumin abnimmt. Wenn die Gleichgewichtskonzentration die Löslichkeitsgrenze überschreitet, entsteht eine Übersättigung an Curcumin und die Kristallkeimbildung beginnt. Unter Hochleistungsultraschall wird das Wachstum der Wirkstoffpartikel bereits im Anfangsstadium gestoppt.
Erfahren Sie mehr über die Fällung und Kristallisation von Nanokristallen mittels Ultraschall!