Прямая инкапсуляция биомолекул в полу

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21391 (2022) Цитировать эту статью

1816 Доступов

9 Альтметрика

Подробности о метриках

Компартментализация может служить различным целям, таким как защита биологически активных веществ от окружающей среды или создание уникальной комбинации биомолекул для диагностических, терапевтических или других биоинженерных применений. Мы представляем метод прямого капсулирования молекул в биосовместимые и полупроницаемые микрокапсулы, изготовленные из низкомолекулярного поли(этиленгликоль)диакрилата (ПЭГ-ДА 258). Микрокапсулы производятся с использованием непланарного микрофлюидного чипа PDMS, позволяющего в один этап получать двойные эмульсии «вода в ПЭГ-ДА 258 — в воде», которые полимеризуются под воздействием УФ-света с образованием оболочки из поли-ПЭГ-ДА 258. Полупроницаемые микрокапсулы получают добавлением к ПЭГ-ДА 258 инертного растворителя. Благодаря благоприятной гидрофильности поли-ПЭГ-ДА 258 белки не адсорбируются на оболочке капсулы, и мы демонстрируем прямую инкапсуляцию ферментов, что также можно сушить в капсулах для сохранения активности. Наконец, мы используем проницаемость капсулы для реализации двухслойного коммуникационного каскада, используя реакции смещения разделенных цепей ДНК. В этой работе представлена ​​прямая инкапсуляция активных биомолекул в полупроницаемые микрокапсулы, и мы ожидаем, что наша платформа будет способствовать разработке искусственных клеток и созданию инкапсулированных диагностических или терапевтических средств.

Последние достижения в области микрофлюидики, материаловедения, синтетической биологии и биоинженерии позволяют прецизионно проектировать отсеки микронного размера, что позволяет манипулировать все более сложными биомолекулярными системами1,2. Капельная микрофлюидная технология позволяет создавать полимерные отсеки с точно определенным размером и структурой, созданные на основе двойных эмульсий или эмульсий более высокого порядка с полимеризуемой фазой, как описано Даттой и др.3. Одним из недостатков полимерных предшественников, используемых в качестве средней фазы, является то, что полученные полимеризованные отсеки, как правило, герметичны для проникновения растворенных веществ, однако Ким и др.4 продемонстрировали, что полупроницаемые полимерные оболочки могут быть изготовлены путем введения инертного разбавителя или пороген в фазе предшественника полимера. При УФ-полимеризации нереакционноспособный порообразователь исключается из полимеризующегося полимера в процессе, называемом фазовым разделением, индуцированным полимеризацией (PIPS). Однако недостатком полимеров, использованных в этом исследовании, и большинства полимеров, полученных из несмешивающихся с водой предшественников, является гидрофобность полимеризованной оболочки капсулы, приводящая к адсорбции белков и, следовательно, препятствующая прямой инкапсуляции белков или ферментов.

Недавно было показано, что ПЭГ-диакрилат с молекулярной массой 258 г/моль ПЭГ-ДА 258 можно использовать в качестве полимеризуемой средней фазы для получения двойных эмульсий с помощью микрофлюидного капиллярного устройства5. Исследователи также показали, что поли-ПЭГ-ДА 258 обладает гидрофильностью, сходной с гидрогелями, изготовленными из водорастворимых производных ПЭГ-ДА с более высокой молекулярной массой. Столь благоприятные характеристики позволили им напрямую инкапсулировать фибриноген без заметной адсорбции на полимерной оболочке. Однако изготовленные капсулы также были герметичными и не позволяли даже низкомолекулярным красителям (динатриевая соль эриоглауцина: 793 г/моль, масляный красный O: 408 г/моль) диффундировать из капсул, что серьезно ограничивало бы использование и диапазон применения красителей. такие капсулы.

Чтобы напрямую инкапсулировать биологически активные макромолекулы в биосовместимые полупроницаемые капсулы, мы объединили благоприятные характеристики низкомолекулярного PEG-DA 258 с образованием пор с помощью PIPS. В этом исследовании мы использовали микрофлюидное устройство PDMS с фокусирующей поток, коаксиальной и неплоской геометрией, которое не требует обработки поверхности для получения двойной эмульсии вода-в-ПЭГ-ДА 258-в-воде. Для получения полупроницаемых капсул мы использовали PIPS для формирования небольших пор в оболочках капсул. Инкапсулируя флуоресцентные грузы разных размеров или помещая пустые капсулы в растворы, содержащие флуорофор, мы показали, что капсулы были полупроницаемыми с отсечкой по размеру, позволяющей напрямую инкапсулировать белки и ферменты массой 32,7 кДа и выше, позволяя при этом транспортировать более мелкие молекулы. Биомолекулы удерживались в капсулах без деградации и равномерно распределялись внутри капсул. Инкапсулированные ферменты выдерживают сушку на воздухе в трегалозе и обладают ферментативной активностью после регидратации. Полупроницаемые капсулы были способны взаимодействовать с окружающей средой, что позволило нам реализовать двухслойный сигнальный каскад путем иммобилизации реакций замещения цепи ДНК внутри жидкого ядра двух разных популяций микрокапсул6. В целом, эта работа описывает разработку и характеристику полупроницаемых микрокапсул с биосовместимой полимерной оболочкой, которые можно использовать для инкапсуляции различных биомолекул для использования в диагностических, терапевтических или синтетических биологических приложениях.