使用 TRPS 技术测量单个粒子的 zeta 电位

纳米医药领域发展迅速,监管机构推行的特定监管程序和要求可能很快就会付诸实施。作为唯一能够为此目的提供优质数据的技术,TRPS 正迅速成为纳米医药分析和质量控制不可或缺的平台。
图 1.
150 nm 和 200 nm 裸聚苯乙烯和 200 nm 羧化聚苯乙烯颗粒的三模态混合物的浓度对粒径和 zeta 电位的 3d 图。羧化颗粒带有更高的负表面电荷,因此它们的 zeta 电位比裸聚苯乙烯颗粒的相应 Zeta 电位具有更高的负值。
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比基于 DLS 的测量要精确可靠得多

了解不同制剂带来的微小变化。
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同时测量粒径和 zeta 电位

逐个粒子地测量单个粒子
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测量生理学强度缓冲液的电荷

测量和分析将要使用的介质中的粒子

真实的 zeta 电位分布数据提供无偏差的结果

在混合液中,通常会假设其中所有的粒子都具有相同的 zeta 电位,但实际情况往往不是这样。当粒子具有多分散的粒度和表面电荷分布时,最广泛使用的 zeta 电位测量技术 (激光多普勒测速法,PALS) 就变得相当不可靠。它的解决方案是逐个地测量足够多的单个粒子的电泳迁移率,而 TRPS 技术正擅长于此。通过其线性关系,可将电泳迁移率转化为 zeta 电位。这样就能获得不受粒径分布影响的 zeta 电位数据,并且可以提供粒径-电荷图、浓度-电荷图或浓度-电荷-粒径 3d 图。这种水平的信息对于像纳米医药开发和纳米医药质量保证这样的复杂应用来说是必不可少的。它可用于进一步鉴定表面生物分子性质或生物分子活性。
图 2.
裸聚苯乙烯颗粒 (CPN100)、羧化聚苯乙烯颗粒 (CPC70, CPC100)、磁性颗粒 (Bio-Adembeads) 和 DNA 修饰磁性颗粒的 Zeta 电位-粒径图。5 种类型颗粒的混合物与分开测量各类型颗粒时得到的颗粒分布非常相似。
图 3.
380 nm 低电荷裸聚苯乙烯颗粒和 400 nm 高电荷羧化聚苯乙烯颗粒的双模态带电样品的 TRPS 分析 (顶部) 和 PALS 分析 (底部) 的比较。两种技术之间存在巨大差异。TRPS 可以完美地解析两种粒子类型 (顶部),zeta 电位与未混合样品的值非常吻合,而 PALS 只能测量溶液的平均 zeta 电位值 (底部)。

比基于 PALS 的 zeta 测量要精确可靠得多

相分析光散射 (PALS) 是一种基于激光多普勒测速法的集成技术,是测定纳米粒子悬浮液 zeta 电位的已知最佳技术。集成技术 (如 PALS) 虽然容易获得,但完全不同于单粒子测量技术 (如 TRPS),它只能测量和计算平均粒子迁移率,因此失去了详细的单粒子信息,在测量多分散样品时尤其如此。TRPS 是唯一的以逐个粒子分析为基础可以同时提供关于粒径和 zeta 电位的悬浮粒子信息的一项技术,它能够确保多模态和多分散样品的准确分析 (见图)。TRPS 技术能够完美地分辨出粒径相当 (~400 nm) 但 zeta 电位不同的裸聚苯乙烯球与羧化聚苯乙烯球的混合样品,而 PALS 技术却不能区分这两个粒子群。

同时测量粒径和 zeta 电位

同时测量粒径和 zeta 电位可为众多的应用和工业领域带来极大的好处。TRPS 能够逐个粒子地进行测量,具有很高的可靠性和重现性。它为了解和研究纳米级粒子分布的内在行为提供了一种新的方法。鉴于已证实这些纳米粒子性质在生物相互作用中起着核心作用,包括影响粒子被目标组织/细胞吸收,所以 TRPS 能够用来研究和更好地了解诸如基于纳米粒子的 microRNA 输送这类现象。这反过来又可应用于癌症治疗和应用于诊断中,比如应用于克服耐药性。TRPS 仪器还是市场上唯一能够同时且又准确地做到这一点的仪器。通过单粒子粒径和 zeta 电位的高分辨率分析对纳米生物相互作用有了更好的理解,进而对纳米医药的发展产生积极的影响。
图 4.
裸聚苯乙烯颗粒 (CPN100)、羧化聚苯乙烯颗粒 (CPC70, CPC100)、磁性颗粒 (Bio-Adembeads) 和 DNA 修饰磁性颗粒的 Zeta 电位-粒径图。5 种类型颗粒的混合物与分开测量各类型颗粒时得到的颗粒分布非常相似。
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图 5.
通过 TRPS 同时测量 PBS (磷酸盐缓冲液生理盐水) 中裸 (CPN) 和羧化 (CPC) 聚苯乙烯颗粒的五模态混合物的粒子粒径和 zeta 电位。

测量生理学强度缓冲液的电荷

粒子分散液和制剂是由静电斥力、空间位阻或联合这两种力来稳定的。如果没有足够的稳定作用,粒子最终会聚集在一起。研究人员将 zeta 电位用作粒子静电稳定作用的指标。Zeta 电位是通过测量悬浮颗粒的电泳迁移率而得到的一个模型量值。电泳迁移率严重取决于粒子和溶液的性质 (离子强度、离子组成和粘度)。因此,对设计用于生物应用的生理缓冲液中的纳米粒子或纳米制剂进行 zeta 分析尤为重要。

高分辨率单粒子 zeta 分析将使我们对不同 pH 值和盐条件下的粒子行为有更深入的了解,以及有助于监测生物动力学研究中随时间而变的粒子电晕演变。而且,每个粒子电荷的准确测定有可能让我们对不同生理缓冲液中的纳米-生物粒子相互作用有深刻了解,这对确定粒子的稳定性和吸收至关重要;并且影响输送的粒子剂量。

精细标度精确性

仅 TRPS 技术本身就提供了通过绘制单个粒子 zeta 电位的精密映射图来区分粒子的手段。膜囊泡的表面电荷产生于囊泡表面外在各部分的净电荷加和。使用 TRPS 可解析膜组成改变时膜表面电荷的细微变化。

通过实时测量粒子-配体相互作用,TRPS 技术还能用于监测 zeta 电位的变化。下面的例子可以证明这一点:将生物素标记的单链 DNA (35 个碱基) 结合到链霉亲和素包被的颗粒表面。在加入 DNA 后 30 秒时,扩散依赖性结合反应大约在 170 秒内完成,DNA 的结合与 zeta 电位的降低同时发生。分辨率极限为寡核苷酸覆盖率的 10%。例如,对于 DNA/粒子比为 400 的粒子,分辨率极限为每粒子 44 个寡核苷酸。用蛋白酶 K 酶解灭活的链霉亲和素进行的对照反应显示无 DNA 相互作用。较长链的寡核苷酸,敏感性增加。TRPS 技术为研究人员提供了一种工具,用于粒子-粒子间相互作用的深度电荷研究、基于 zeta 的囊泡分析、可能导致载体粒子电荷改变的受体-配体间的相互作用、基于抗体-抗原反应的电荷报告以及基于核酸适配体的检测技术。
图 6.
通过粒子 zeta 电位测量监测了生物素标记 DNA 在磁性 Bio-Adembeads 上反应的动力学,并与对照进行比较,对照中 Bio-Adembeads 表面的链霉亲和素在 DNA 反应之前被酶促裂解。将 DNA 添加到流体细胞后约 100 秒,zeta 电位的移动均值 (平均超过 25 个粒子) 落在约 -20 mV 处,表明反应达到饱和。对照的 zeta 电位不随时间变化。
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