생체분자를 반으로 직접 캡슐화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21391(2022) 이 기사 인용

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구획화는 환경으로부터 생물학적 활성 물질을 보호하거나 진단, 치료 또는 기타 생명 공학 응용 분야를 위한 독특한 생체 분자 조합 생성과 같은 다양한 목적을 수행할 수 있습니다. 우리는 저분자량 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트(PEG-DA 258)로 만든 생체 적합성 및 반투과성 마이크로캡슐에 분자를 직접 캡슐화하는 방법을 제시합니다. 마이크로캡슐은 UV 광으로 중합되어 폴리-PEG-DA 258 쉘로 중합되는 수중 PEG-DA 258 이중 에멀젼의 1단계 생산을 가능하게 하는 비평면 PDMS 미세유체 칩을 사용하여 생산됩니다. 반투과성 마이크로캡슐은 PEG-DA 258에 불활성 용매를 추가하여 얻습니다. 폴리-PEG-DA 258의 유리한 친수성으로 인해 단백질은 캡슐 껍질에 흡착되지 않으며 우리는 효소의 직접적인 캡슐화를 보여줍니다. 활동을 보존하기 위해 캡슐에서 건조시킬 수도 있습니다. 마지막으로, 구획화된 DNA 가닥 치환 반응을 사용하여 2층 통신 캐스케이드를 구현하기 위해 캡슐 투과성을 활용합니다. 이 연구는 반투과성 마이크로캡슐에 활성 생체분자를 직접 캡슐화하는 것을 제시하며, 우리 플랫폼이 인공 세포의 개발을 촉진하고 캡슐화된 진단 또는 치료법을 생성할 것으로 기대합니다.

미세유체공학, 재료과학, 합성생물학, 생명공학 분야의 최근 발전으로 미크론 크기 구획의 정밀 엔지니어링이 가능해지면서 점점 더 복잡해지는 생체분자 시스템을 조작할 수 있게 되었습니다1,2. 액적 미세유체 기술을 사용하면 Datta et al.3이 검토한 바와 같이 중합 가능한 단계를 포함하는 이중 에멀젼 또는 고차 에멀젼을 템플릿으로 하여 정확하게 정의된 크기와 구조를 갖는 고분자 구획을 생산할 수 있습니다. 중간 단계로 사용되는 고분자 전구체의 한 가지 단점은 얻은 중합된 구획이 일반적으로 용질의 침투에 대해 밀폐되어 있다는 것입니다. 그러나 Kim et al.4는 불활성 희석제를 도입하여 반투과성 고분자 쉘을 제조할 수 있음을 입증했습니다. 폴리머 전구체 단계의 포로젠(porogen). UV 중합 시, 비반응성 포로젠은 중합 유도 상분리(PIPS)라고 불리는 과정을 통해 중합 폴리머에서 제외됩니다. 그러나 본 연구에 사용된 고분자와 수불혼화성 전구체에서 얻은 대부분의 고분자의 단점은 중합된 캡슐 껍질의 소수성이 단백질 흡착을 유도하여 단백질이나 효소의 직접적인 캡슐화를 방지한다는 것입니다.

최근에는 분자량이 258 g/mol인 PEG-디아크릴레이트 PEG-DA 258이 미세유체 모세관 장치5를 사용하여 이중 에멀젼을 생산하기 위한 중합성 중간상으로 사용될 수 있음이 나타났습니다. 연구진은 또한 폴리-PEG-DA 258이 더 높은 분자량의 수용성 PEG-DA 유도체로 만든 하이드로겔과 유사한 친수성을 가짐을 보여주었습니다. 이러한 유리한 특성을 통해 폴리머 껍질에 눈에 띄는 흡착 없이 피브리노겐을 직접 캡슐화할 수 있었습니다. 그러나 생산된 캡슐 역시 밀봉되어 있어 저분자 염료(에리오글라우신 이나트륨 염: 793 g/mol, 오일 레드 O: 408 g/mol)조차도 캡슐 외부로 확산되는 것을 방지하여 사용 및 적용 범위를 심각하게 제한했습니다. 그런 캡슐.

생체적합성 반투과성 캡슐에 생물학적 활성 거대분자를 직접 캡슐화하기 위해 우리는 저분자량 PEG-DA 258의 유리한 특성과 PIPS에 의한 기공 형성을 결합했습니다. 이 연구에서 우리는 water-in-PEG-DA 258-in-water의 이중 에멀젼을 생성하기 위해 표면 처리가 필요하지 않은 흐름 집중, 동축 및 비평면 형상을 갖춘 PDMS 미세 유체 장치를 사용했습니다. 반투과성 캡슐을 얻기 위해 PIPS를 사용하여 캡슐 껍질에 작은 구멍을 형성했습니다. 다양한 크기의 형광화물을 캡슐화하거나 용액을 함유한 형광단에 빈 캡슐을 배치함으로써 우리는 캡슐이 32.7kDa 이상의 단백질과 효소를 직접 캡슐화할 수 있는 크기 컷오프로 반투과성이면서 더 작은 분자의 수송을 허용한다는 것을 보여주었습니다. 생체분자는 분해되지 않고 캡슐 내에 유지되었으며, 캡슐 내부에 균질하게 분포되었습니다. 캡슐화된 효소는 트레할로스에서 공기 건조 시 생존하고 재수화 후에도 효소 활성을 나타냅니다. 반투과성 캡슐은 환경과 통신할 수 있어 두 개의 서로 다른 마이크로캡슐 집단의 액체 코어 내부에 DNA 가닥 치환 반응을 고정시켜 2층 신호 전달 계단식을 구현할 수 있습니다6. 전체적으로, 이 연구는 진단, 치료 또는 합성 생물학 응용 ​​분야에서 사용하기 위해 다양한 생체 분자를 캡슐화하는 데 사용할 수 있는 생체 적합성 고분자 껍질을 갖춘 반투과성 마이크로캡슐의 개발 및 특성화를 설명합니다.