Mikrofluidik als Plattformtechnologie für die Herstellung von Chitosan Nanopartikeln

Die Herstellung von Chitosan-basierten Nanopartikeln mittels ionotropher Gelierung führt häufig zu einer hohen Batch-zu-Batch Variabilität sowie in einer geringen Reproduzierbarkeit. Eine mögliche Lösung dafür könnte ein kontrolliertes Mischen im mikrofluidischen Maßstab sein. In der hier präsentierten Studie sollen Chitosan-Tripolyphosphat-Nanopartikel mit siRNA, mRNA und β-Galactosidase als Cargo mittel Mikrofluidik hergestellt werden.

 

Greco A, Gabold B, Chen S, et al. Microfluidic mixing as platform technology for production of chitosan nanoparticles loaded with different macromolecules. Eur J Pharm Biopharm. 2023.

MIKROFLUIDISCHES MISCHEN ALS PLATTFORMTECHNOLOGIE FÜR DIE PRODUKTION VON CHITOSAN NANOPARTIKELN BELADEN MIT VERSCHIEDENEN MAKROMOLEKÜLEN

Biotechnologische Therapeutika wie Peptide, Proteine und Nukleinsäuren besitzen im Vergleich zu herkömmlichen Wirkstoffen oft eine hohe Spezifität, Wirksamkeit und geringe Toxizität. Allerdings weisen vor allem große Biomoleküle mit hoher molekularen Masse Schwierigkeiten in der Biodistribution und Transport auf. Neben dem erschwerten Transport über biologische Barrieren, ist auch ein gezielter Wirkstofftransport schwierig. Erleichtern könnten das Nanopartikel (NP)-basierte Transportsysteme. Durch ihre geringe Größe sind sie in der Lage natürliche Barrieren zu überwinden. Zudem bieten sie Vorteile wie eine erhöhte Bioverfügbarkeit, Schutz vor vorzeitigen Bioabbau und die Möglichkeit eines zielgerichteten Transportes. Besonders polymerbasierte Nanopartikel aus natürlich vorkommenden Polymeren wie Chitosan (CTS) sind interessant. Chitosane besitzen eine hervorragende Biokomptabilität, Bioabbaubarkeit und Stabilität. Dazu kann es leicht modifiziert werden. CTS-NPs werden oft über ionotrophische Gelierung durch Interaktion von dem positiv geladenen Chitosan einem negativ geladenen zweiten Molekül wie z.B. Tripolyphosphat (TTP) hergestellt. Beide Stoffe sind durch die Quervernetzung in der Lage andere Moleküle als Cargo einzuschließen. CTS-TTP-NP sind vielversprechend, da sie biologische Membranen überwinden können, Wirkstoffe kontrolliert freisetzen und zudem bei milden Bedingungen hergestellt werden.

Allerdings führt die ionotrophe Gelierung unter Bulkbedingungen zu einer hohen Batch-zu-Batch Variabilität aufgrund mangelnder Kontrolle des Produktionsprozesses. Mikrofluidisches Mischen könnte dabei eine Lösung sein. Generell umfasst Mikrofluidik die Technologie Flüsse in funktionalen Komponenten zu beeinflussen. Dabei werden sogenannte Mikrofluidik Chips genutzt, die in schmalen Kanälen (µm und mm Bereich) Volumina in pL oder nL kontrollieren können. Dadurch bieten sie Möglichkeiten z.B. zum Mischen in einem präzisen Maßstab. Zudem können Mikrofluidik Chips reproduzierbar hergestellt werden. Das macht sie besonders interessant zur Herstellung von NPs mit kontrollierten physikalischen Eigenschaften durch Kontrolle der Mischgeschwindigkeit, Tropfenfrequenz und Probenvolumen. Zudem soll ein vereinfachtes Scale-up der Prozesse möglich sein.

In der vorgestellten Studie soll mikrofluidisches Mischen zur Herstellung von CTS-basierten NPs beladen mit verschiedenen Makromolekülen wie β-Galactosidase, mRNA, und siRNA durch ionotrope Gelierung untersuchen. Ziel soll sein eine kosteneffiziente und einfach optimierbare Herstellung von CTS-NPs zu ermöglichen. Das verwendete CTS besaß eine Viskosität zwischen 5-20 mPas in einer 0,5 % Lösung mit 0,5 % Essigsäure und einem DDA von 85 %. Wenn Sie vergleichbare Produkte suchen, besuchen Sie gerne unseren Chitosan Online Shop oder schreiben Sie uns eine Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein..

ERGEBNISSE

• Erfolgreiche Synthese von CTS-TPP-NPs durch ionotrope Gelierung mittels mikrofluidischen Mischen
• Erhalt von NPs mit einem hydrodynamischen Durchmesser von 75-105 nm, einer geringen Polydispersität von 0,15-0,22 und einem positiven Zeta-Potential von 6 – 17 mV
• Alle Cargos (β-Galactosidase, mRNA, and siRNA) wurden effizient in die CTS-TTP-NPs eingekapselt (EE ˃ 80 %)
• Gute Zytokompatibilität von CTS
• Erhöhte zelluläre Internalisierung der NP Formulierung im Vergleich zu freien Molekülen
• Erfolgreiches Gensilencing von siRNA eingeschlossen in CTS-TPP-NPs → NP sind in der Lage über endosomale Escape in die Zelle aufgenommen zu werden

Schlussfolgerungen: In der vorgestellten Studie konnte gezeigt werden, dass homogene und stabile CTS-TPP-NPs über mikrofluidisches Mischen hergestellt werden können. Alle untersuchten Cargos wurden erfolgreich in die Cargos eingekapselt und die Internalisierung dieser in die Zellen verbessert. Insgesamt kann mikrofluidisches Mischen eine vielseitige, effiziente und nanoskalierte Plattform zu Herstellung von Chitosan-basierten Nanopartikeln darstellen.

Link zum Artikel: Microfluidic mixing as platform technology for production of chitosan nanoparticles loaded with different macromolecules - ScienceDirect