Incapsulamento diretto di biomolecole in semi

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 21391 (2022) Citare questo articolo

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La compartimentazione può servire a diversi scopi, come la protezione delle sostanze attive biologiche dall'ambiente o la creazione di una combinazione unica di biomolecole per applicazioni diagnostiche, terapeutiche o altre applicazioni di bioingegneria. Presentiamo un metodo per l'incapsulamento diretto di molecole in microcapsule biocompatibili e semipermeabili costituite da poli(etilene glicole) diacrilato a basso peso molecolare (PEG-DA 258). Le microcapsule vengono prodotte utilizzando un chip microfluidico PDMS non planare che consente la produzione in un unico passaggio di doppie emulsioni acqua in PEG-DA 258 in acqua, che vengono polimerizzate con luce UV in un guscio di poli-PEG-DA 258. Le microcapsule semipermeabili si ottengono aggiungendo un solvente inerte al PEG-DA 258. Grazie alla favorevole idrofilia del poli-PEG-DA 258, le proteine ​​non si adsorbono all'involucro della capsula e dimostriamo l'incapsulamento diretto degli enzimi, che può anche essere essiccato nelle capsule per preservarne l'attività. Infine, sfruttiamo la permeabilità della capsula per l'implementazione di una cascata di comunicazione a due strati utilizzando reazioni di spostamento del filamento di DNA compartimentate. Questo lavoro presenta l'incapsulamento diretto di biomolecole attive in microcapsule semipermeabili e ci aspettiamo che la nostra piattaforma faciliti lo sviluppo di cellule artificiali e la generazione di strumenti diagnostici o terapeutici incapsulati.

I recenti progressi nel campo della microfluidica, della scienza dei materiali, della biologia sintetica e della bioingegneria consentono l'ingegneria di precisione di compartimenti di dimensioni micrometriche, consentendo la manipolazione di sistemi biomolecolari sempre più complessi1,2. La tecnologia microfluidica delle goccioline consente la produzione di compartimenti polimerici con dimensioni e struttura definite con precisione, modellati da doppie emulsioni o emulsioni di ordine superiore con una fase polimerizzabile come esaminato da Datta et al.3. Uno svantaggio dei precursori polimerici utilizzati come fase intermedia è che i compartimenti polimerizzati ottenuti sono in generale ermetici alla permeazione dei soluti, tuttavia Kim et al.4 hanno dimostrato che i gusci polimerici semipermeabili possono essere fabbricati introducendo un diluente inerte, o porogeno, nella fase precursore del polimero. Dopo la polimerizzazione UV, il porogeno non reattivo viene escluso dal polimero polimerizzante in un processo chiamato separazione di fase indotta dalla polimerizzazione (PIPS). Tuttavia, lo svantaggio dei polimeri utilizzati in questo studio e della maggior parte dei polimeri ottenuti da precursori immiscibili con acqua è l'idrofobicità del guscio della capsula polimerizzata che porta all'adsorbimento delle proteine ​​e quindi impedisce l'incapsulamento diretto di proteine ​​o enzimi.

Recentemente è stato dimostrato che il PEG-diacrilato con un peso molecolare di 258 g/mol PEG-DA 258 può essere utilizzato come fase intermedia polimerizzabile per la produzione di doppie emulsioni con un dispositivo capillare microfluidico5. I ricercatori hanno anche dimostrato che il poli-PEG-DA 258 ha un'idrofilicità simile agli idrogel costituiti da derivati ​​PEG-DA solubili in acqua di peso molecolare più elevato. Tali caratteristiche favorevoli hanno permesso loro di incapsulare direttamente il fibrinogeno senza un evidente adsorbimento nel guscio polimerico. Tuttavia, le capsule prodotte erano anche ermetiche e impedivano anche ai coloranti con molecole piccole (sale disodico erioglaucina: 793 g/mol, olio rosso O: 408 g/mol) di diffondersi dalle capsule, il che limiterebbe gravemente l'uso e il campo di applicazione delle capsule. tali capsule.

Per incapsulare direttamente le macromolecole biologicamente attive in capsule semipermeabili biocompatibili, abbiamo combinato le caratteristiche favorevoli del PEG-DA 258 a basso peso molecolare con la formazione di pori mediante PIPS. In questo studio, abbiamo utilizzato un dispositivo microfluidico PDMS con una geometria focalizzata sul flusso, coassiale e non planare che non richiede trattamento superficiale per produrre doppie emulsioni di acqua in PEG-DA 258 in acqua. Per ottenere capsule semipermeabili abbiamo utilizzato il PIPS per formare piccoli pori nell'involucro della capsula. Incapsulando carichi fluorescenti di diverse dimensioni o posizionando capsule vuote in soluzioni contenenti fluoroforo, abbiamo dimostrato che le capsule erano semipermeabili con un limite dimensionale che consentiva l'incapsulamento diretto di proteine ​​ed enzimi di 32,7 kDa e superiori, consentendo al contempo il trasporto di molecole più piccole. Le biomolecole sono state trattenute nelle capsule senza degradazione e sono state distribuite in modo omogeneo all'interno delle capsule. Gli enzimi incapsulati sopravvivono all'essiccazione all'aria nel trealosio e mostrano attività enzimatica dopo la reidratazione. Le capsule semipermeabili sono state in grado di comunicare con il loro ambiente permettendoci di implementare una cascata di segnalazione a due strati immobilizzando le reazioni di spostamento del filamento di DNA all'interno del nucleo liquido di due diverse popolazioni di microcapsule6. Complessivamente, questo lavoro descrive lo sviluppo e la caratterizzazione di microcapsule semipermeabili con un guscio polimerico biocompatibile che può essere utilizzato per l'incapsulamento di diverse biomolecole da utilizzare in applicazioni diagnostiche, terapeutiche o di biologia sintetica.