Encapsulamento direto de biomoléculas em semi

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21391 (2022) Citar este artigo

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A compartimentalização pode servir a diferentes propósitos, como a proteção de substâncias ativas biológicas do meio ambiente ou a criação de uma combinação única de biomoléculas para diagnóstico, terapia ou outras aplicações de bioengenharia. Apresentamos um método de encapsulamento direto de moléculas em microcápsulas biocompatíveis e semipermeáveis ​​feitas de diacrilato de poli(etileno glicol) (PEG-DA 258) de baixo peso molecular. As microcápsulas são produzidas usando um chip microfluídico PDMS não planar, permitindo a produção em uma etapa de emulsões duplas água-em-PEG-DA 258-em-água, que são polimerizadas com luz UV em um invólucro poli-PEG-DA 258. Microcápsulas semipermeáveis ​​são obtidas pela adição de um solvente inerte ao PEG-DA 258. Devido à hidrofilicidade favorável do poli-PEG-DA 258, as proteínas não adsorvem ao invólucro da cápsula e demonstramos o encapsulamento direto de enzimas, que também pode ser seco nas cápsulas para preservar a atividade. Finalmente, aproveitamos a permeabilidade da cápsula para a implementação de uma cascata de comunicação de duas camadas usando reações de deslocamento de fita de DNA compartimentadas. Este trabalho apresenta o encapsulamento direto de biomoléculas ativas em microcápsulas semipermeáveis, e esperamos que nossa plataforma facilite o desenvolvimento de células artificiais e a geração de diagnósticos ou terapêuticos encapsulados.

Avanços recentes em microfluídica, ciência de materiais, biologia sintética e bioengenharia permitem a engenharia de precisão de compartimentos do tamanho de mícrons, permitindo a manipulação de sistemas biomoleculares cada vez mais complexos1,2. A tecnologia microfluídica de gotículas permite a produção de compartimentos poliméricos com tamanho e estrutura precisamente definidos, modelados a partir de emulsões duplas ou emulsões de ordem superior com uma fase polimerizável conforme revisado por Datta et al.3. Uma desvantagem dos precursores poliméricos usados ​​como fase intermediária é que os compartimentos polimerizados obtidos são em geral herméticos à permeação de solutos. No entanto, Kim et al. porogen, na fase precursora do polímero. Após a polimerização UV, o porógeno não reativo é excluído do polímero polimerizador em um processo chamado separação de fase induzida por polimerização (PIPS). No entanto, a desvantagem dos polímeros utilizados neste estudo e da maioria dos polímeros obtidos a partir de precursores imiscíveis em água é a hidrofobicidade do invólucro da cápsula polimerizada levando à adsorção de proteínas e, portanto, impedindo o encapsulamento direto de proteínas ou enzimas.

Recentemente, foi demonstrado que o PEG-diacrilato com um peso molecular de 258 g/mol PEG-DA 258 pode ser usado como uma fase intermediária polimerizável para a produção de emulsões duplas com um dispositivo capilar microfluídico5. Os pesquisadores também mostraram que o poli-PEG-DA 258 tem uma hidrofilicidade semelhante a hidrogéis feitos de derivados de PEG-DA solúveis em água de maior peso molecular. Essas características favoráveis ​​permitiram que eles encapsulassem diretamente o fibrinogênio sem adsorção perceptível ao invólucro do polímero. No entanto, as cápsulas produzidas também eram herméticas e impediam que até mesmo corantes de moléculas pequenas (sal dissódico de erioglaucina: 793 g/mol, óleo vermelho O: 408 g/mol) se difundissem para fora das cápsulas, o que limitaria severamente o uso e a faixa de aplicação de tais cápsulas.

Para encapsular macromoléculas biologicamente ativas diretamente em cápsulas semipermeáveis ​​biocompatíveis, combinamos as características favoráveis ​​do PEG-DA 258 de baixo peso molecular com a formação de poros por PIPS. Neste estudo, usamos um dispositivo microfluídico PDMS com foco em fluxo, geometria coaxial e não planar que não requer tratamento de superfície para produzir emulsões duplas de água em PEG-DA 258 em água. Para obter cápsulas semipermeáveis, utilizamos PIPS para formar pequenos poros no invólucro das cápsulas. Ao encapsular cargas fluorescentes de tamanhos diferentes ou colocar cápsulas vazias em soluções contendo fluoróforos, mostramos que as cápsulas eram semipermeáveis ​​com um corte de tamanho que permitia o encapsulamento direto de proteínas e enzimas de 32,7 kDa e acima, enquanto permitia o transporte de moléculas menores. As biomoléculas foram retidas nas cápsulas sem degradação e distribuídas de forma homogênea no interior das cápsulas. As enzimas encapsuladas sobreviveram à secagem ao ar em trealose e tiveram atividade enzimática após a reidratação. As cápsulas semipermeáveis ​​foram capazes de se comunicar com seu ambiente, permitindo-nos implementar uma cascata de sinalização de duas camadas, imobilizando as reações de deslocamento da cadeia de DNA dentro do núcleo líquido de duas populações diferentes de microcápsulas6. Ao todo, este trabalho descreve o desenvolvimento e caracterização de microcápsulas semipermeáveis ​​com um invólucro polimérico biocompatível que podem ser usadas para o encapsulamento de diferentes biomoléculas para uso em aplicações de diagnóstico, terapêutica ou biologia sintética.