Production and evaluation of dry alginate-chitosan microcapsules as an enteric delivery vehicle for probiotic bacteria

This study investigates the production of alginate microcapsules, which have been coated with the polysaccharide chitosan, and evaluates some of their properties with the intention of improving the gastrointestinal viability of a probiotic (Bifidobacterium breve) by encapsulation in this system. The microcapsules were dried by a variety of methods, and the most suitable was chosen. The work described in this Article is the first report detailing the effects of drying on the properties of these microcapsules and the viability of the bacteria within relative to wet microcapsules. The pH range over which chitosan and alginate form polyelectrolyte complexes was explored by spectrophotometry, and this extended into swelling studies on the microcapsules over a range of pHs associated with the gastrointestinal tract. It was shown that chitosan stabilizes the alginate microcapsules at pHs above 3, extending the stability of the capsules under these conditions. The effect of chitosan exposure time on the coating thickness was investigated for the first time by confocal laser scanning microscopy, and its penetration into the alginate matrix was shown to be particularly slow. Coating with chitosan was found to increase the survival of B. breve in simulated gastric fluid as well as prolong its release upon exposure to intestinal pH.

Stability of probiotic Lactobacillus plantarum in dry microcapsules under accelerated storage conditions

This study investigated the stability of freeze dried and fluid bed dried alginate microcapsules coated with chitosan containing model probiotic bacteria, Lactobacillus plantarum, during storage for up to 45 days at different water activities (0.11, 0.23, 0.40 and 0.70) and temperatures (4, 30 and 37 °C). The loss in cell viability was around 0.8 log in the case of fluid bed drying and around 1.3 in the case of freeze drying, with the former method resulting in dried capsules of smaller size (~ 1 mm vs 1.3 mm), more irregular shape, and with a rougher surface. In both cases, the water activity and water content were less than 0.25 and 10% w/w, respectively, which favours high storage stability. The storage stability studies demonstrated that as the water activity and temperature decreased the survival of the dried encapsulated cells increased. Considerably better survival was observed for fluid bed dried encapsulated cells compared to freeze dried encapsulated cells and freeze dried free cells with 10% sucrose (control), and in some cases, e.g. at 4 and 30 °C at water activities of 0.11, 0.23 and 0.40, there was more than 1 log difference after 45 days, with concentrations higher than 108 CFU/g after 45 days of storage. The results indicate that fluid bed drying is an effective and efficient manufacturing method to produce probiotic containing capsules with enhanced storage stability.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Emulsion strategies in the microencapsulation of cells: Pathways to thin coherent membranes

Microencapsulation of cell spheroids in an immunoselective, highly biocompatible, biomembrane offers a way to create viable implantation options in the treatment of insulin-dependent diabetes mellitus (IDDM). Traditionally the encapsulation process has been achieved through the injection/extrusion of alginate/cell mixtures into a calcium chloride solution to produce calcium alginate capsules around the cells. A novel alternative is explored here through a procedure using an emulsion process to produce thin adherent calcium alginate membranes around cell spheroids. In this study, a thorough investigation has been used to establish the emulsion process parameters that are critical to the formation of a coherent alginate coat both on a model spheroid system and subsequently on cell spheroids. Optical and fluorescence microscopy are used to assess the morphology and coherence of the calcium alginate/ poly-L-ornithine/alginate (APA) capsules produced. (c) 2005 Wiley Periodicals, Inc.

Assessment of different formulations of oral Mycobacterium bovis Bacille Calmette-Guerin (BCG) vaccine in rodent models for immunogenicity and protection against aerosol challenge with M-bovis

Bovine tuberculosis (bTB) caused by infection with Mycobacterium bovis is causing considerable economic loss to farmers and Government in the United Kingdom as its incidence is increasing. Efforts to control bTB in the UK are hampered by the infection in Eurasian badgers (Metes metes) that represent a wildlife reservoir and source of recurrent M. bovis exposure to cattle. Vaccination of badgers with the human TB vaccine, M. bovis Bacille Calmette-Guerin (BCG), in oral bait represents a possible disease control tool and holds the best prospect for reaching badger populations over a wide geographical area. Using mouse and guinea pig models, we evaluated the immunogenicity and protective efficacy, respectively, of candidate badger oral vaccines based on formulation of BCG in lipid matrix, alginate beads, or a novel microcapsular hybrid of both lipid and alginate. Two different oral doses of BCG were evaluated in each formulation for their protective efficacy in guinea pigs, while a single dose was evaluated in mice. In mice, significant immune responses (based on lymphocyte proliferation and expression of IFN-gamma) were only seen with the lipid matrix and the lipid in alginate microcapsular formulation, corresponding to the isolation of viable BCG from alimentary tract lymph nodes. In guinea pigs, only BCG formulated in lipid matrix conferred protection to the spleen and lungs following aerosol route challenge with M. bovis. Protection was seen with delivery doses in the range 10(6)-10(7) CFU, although this was more consistent in the spleen at the higher dose. No protection in terms of organ CFU was seen with BCG administered in alginate beads or in lipid in alginate microcapsules, although 10(7) in the latter formulation conferred protection in terms of increasing body weight after challenge and a smaller lung to body weight ratio at necropsy. These results highlight the potential for lipid, rather than alginate, -based vaccine formulations as suitable delivery vehicles for an oral BCG vaccine in badgers.

Biocompatibilité des microcapsules d'alginate : purification d'alginate, réaction immunitaire de l'hôte et protection du receveur

L’immuno-isolation des îlots de Langerhans est proposée comme moyen d’effectuer des transplantations sans prise d’immunosuppresseurs par le patient. Cette immuno-isolation, par l’entremise d’une microcapsule composée d’alginate et de poly-L-lysine (microcapsule APA), protège le greffon d’une éventuelle attaque du système immunitaire du receveur grâce à sa membrane semi-perméable. Cette membrane empêche le système immunitaire du receveur de pénétrer la microcapsule tout en laissant diffuser librement les nutriments, le glucose et l’insuline. Avant l’application de cette technique chez l’humain, quelques défis doivent encore être relevés, dont la biocompatibilité de ce système. La biocompatibilité fait ici référence à la biocompatibilité du biomatériau utilisé pour la fabrication des microcapsules, l’alginate, mais aussi la biocompatibilité des microcapsules reliée à leur stabilité. En effet, il a été remarqué que, lors d’implantation in vivo de microcapsules fabriquées avec de l’alginate non purifiée, ceci induisait un phénomène nommé Réaction de l’Hôte contre la Microcapsule (RHM). De plus, il est connu que la stabilité des microcapsules APA peut influencer leur biocompatibilité puisqu’une microcapsule endommagée ou brisée pourrait laisser s’échapper les cellules du greffon chez le receveur. Nous croyons qu’une compréhension des processus d’initiation de la RHM en fonction de l’efficacité des procédés de purification d’alginate (et donc des quantités de contaminants présents dans l’alginate) ainsi que l’augmentation de la stabilité des microcapsules APA pourront améliorer la biocompatibilité de ce dispositif, ce que tente de démontrer les résultats présentés dans cette thèse. En effet, les résultats obtenus suggèrent que les protéines qui contaminent l’alginate jouent un rôle clé dans l’initiation de la RHM et qu’en diminuant ces quantités de protéines par l’amélioration des procédés de purification d’alginate, on améliore la biocompatibilité de l’alginate. Afin d’augmenter la stabilité des microcapsules APA, nous décrivons une nouvelle technique de fabrication des microcapsules qui implique la présence de liaisons covalentes. Ces nouvelles microcapsules APA réticulées sont très résistantes, n’affectent pas de façon négative la survie des cellules encapsulées et confinent les cellules du greffon à l’intérieur des microcapsules. Cette dernière caractéristique nous permet donc d’augmenter la biocompatibilité des microcapsules APA en protégeant le receveur contre les cellules du greffon.

Evaluation of some residual bioactivities of microencapsulated Phaseolus lunatus protein fraction with carboxymethylated flamboyant (Delonix regia) gum/sodium alginate

Recent studies have shown the beneficial effect of peptides, an unexploited source could be Phaseolus lunatus being an important raw material for those functional products in order to improve their utilization. In addition to improve the beneficial effect of bioactive peptides the microencapsulation could be a way to protect the peptides against the environment to which they are exposed. P. lunatus protein fraction (<10 kDa of weight) was encapsulated using a blend of carboxymethylated flamboyant gum (CFG) and sodium alginate (SA) at different concentrations of CaCl2 and hardening times. After in vitro digestion of microcapsules the residual activity, in the intestinal system, both inhibition of agiotensin-converting enzyme (I-ACE) and antioxidant activity obtained were in a range of 0.019-0.136 mg/mL and 570.64-813.54 mM of TEAC respectively. The microencapsulation employed CFG/SA blends could be used controlled delivery of peptide fractions with potential use as a nutraceutical or therapeutic agents.

Microencapsulation of a synbiotic into PLGA/alginate multiparticulate gels

Probiotic bacteria have gained popularity as a defence against disorders of the bowel. However, the acid sensitivity of these cells results in a loss of viability during gastric passage and, consequently, a loss of efficacy. Probiotic treatment can be supplemented using ‘prebiotics’, which are carbohydrates fermented specifically by probiotic cells in the body. This combination of probiotic and prebiotic is termed a ‘synbiotic’. Within this article a multiparticulate dosage form has been developed, consisting of poly(d,l-lactic-co-glycolic acid) (PLGA) microcapsules containing prebiotic Bimuno™ incorporated into an alginate–chitosan matrix containing probiotic Bifidobacterium breve. The aim of this multiparticulate was that, in vivo, the probiotic would be protected against gastric acid and the release of the prebiotic would occur in the distal colon. After microscopic investigation, this synbiotic multiparticulate was shown to control the release of the prebiotic during in vitro gastrointestinal transit, with the release of galacto-oligosaccharides (GOS) initially occurred over 6 h, but with a triphasic release pattern giving further release over 288 h. Encapsulation of B. breve in multiparticulates resulted in a survival of 8.0 ± 0.3 log CFU/mL cells in acid, an improvement over alginate–chitosan microencapsulation of 1.4 log CFU/mL. This was attributed to increased hydrophobicity by the incorporation of PLGA particles.

Silk Fibroin And Sodium Alginate Blend: Miscibility And Physical Characteristics.

Films of silk fibroin (SF) and sodium alginate (SA) blends were prepared by solution casting technique. The miscibility of SF and SA in those blends was evaluated and scanning electron microscopy (SEM) revealed that SF/SA 25/75 wt.% blends underwent microscopic phase separation, resulting in globular structures composed mainly of SF. X-ray diffraction indicated the amorphous nature of these blends, even after a treatment with ethanol that turned them insoluble in water. Thermal analyses of blends showed the peaks of degradation of pristine SF and SA shifted to intermediate temperatures. Water vapor permeability, swelling capacity and tensile strength of SF films could be enhanced by blending with SA. Cell viability remained between 90 and 100%, as indicated by in vitro cytotoxicity test. The SF/SA blend with self-assembled SF globules can be used to modulate structural and mechanical properties of the final material and may be used in designing high performance wound dressing.

Sargassum Filipendula Alginate From Brazil: Seasonal Influence And Characteristics.

The aim of this work is focused on the extraction and characterization of the Brazilian seaweed Sargassum filipendula alginate. Alginates obtained at different seasons were characterized by liquid state nuclear magnetic resonance spectroscopy and scanning electron microscopy. The alginate extraction efficiency was about 20%. Different seasons of the year and different stages in the life cycle of Sargassum sp. in southeastern Brazil influenced the M/G and, consequently, the technological properties of extracted alginates.

Control Of The Properties Of Porous Chitosan-alginate Membranes Through The Addition Of Different Proportions Of Pluronic F68.

This work addresses the development and characterization of porous chitosan-alginate based polyelectrolyte complexes, obtained by using two different proportions of the biocompatible surfactant Pluronic F68. These biomaterials are proposed for applications as biodegradable and biocompatible wound dressing and/or scaffolds. The results indicate that thickness, roughness, porosity and liquid uptake of the membranes increase with the amount of surfactant used, while their mechanical properties and stability in aqueous media decrease. Other important properties such as color and surface hydrophilicity (water contact angle) are not significantly altered or did not present a clear tendency of variation with the increase of the amount of surfactant added to the polyelectrolyte complexes, such as real density, average pore diameter, total pore volume and surface area. The prepared biomaterials were not cytotoxic to L929 cells. In conclusion, it is possible to tune the physicochemical properties of chitosan-alginate polyelectrolyte complexes, through the variation of the proportion of surfactant (Pluronic F68) added to the mixture, so as to enable the desired application of these biomaterials.

Preparation and characterization of chitosan-treated alginate microparticles incorporating all-trans retinoic acid

Chitosan treated alginate microparticles were prepared with the purpose of incorporating all-trans retinoic acid (ATRA) using an inexpensive, simple and fast method, enhancing dermal localization and sustaining the release of ATRA into the skin. Microparticles characterization, drug-polymer interaction, release profile and in vitro skin retention were investigated. Microparticles presented spherical shape and drug loading capacity of 47%. The drug content of these microparticles was affected by ATRA concentration and by the solvent used and it was more weakly affected by chitosan concentration. The release of ATRA was also affected by chitosan concentration. Microparticles prepared with 0.4% chitosan (w/w) resulted in drug release with a more sustained profile. The results of in vitro retention studies showed that chitosan treated alginate microparticles decreased the drug retention in the stratum corneum (SC), where occur the skin irritation, but maintained the ATRA concentration in the deeper skin layers, where occur the pathologies treated with ATRA. Then, the microparticles developed in this work can be a good candidate to improve the topical therapy with retinoid.

Lectins and/or xyloglucans/alginate layers as supports for immobilization of dengue virus particles

Formation of stable thin films of mixed xyloglucan (XG) and alginate (ALG) onto Si/SiO2 wafers was achieved under pH 11.6, 50 mM CaCl2, and at 70 degrees C. XG-ALG films presented mean thickness of (16 +/- 2) nun and globules rich surface, as evidenced by means of ellipsometry and atomic force microscopy (AFM), respectively. The adsorption of two glucose/mannose-binding seed (Canavalia ensiformis and Dioclea altissima) lectins, coded here as ConA and DAlt, onto XG-ALG surfaces took place under pH 5. Under this condition both lectins present positive net charge. ConA and DAIt adsorbed irreversibly onto XG-ALG forming homogenous monolayers similar to(4 +/- 1)nm thick. Lectins adsorption was mainly driven by electrostatic interaction between lectins positively charged residues and carboxylated (negatively charged) ALG groups. Adhesion of four serotypes of dengue virus, DENV (1-4), particles to XG-ALG surfaces were observed by ellipsometry and AFM. The attachment of dengue particles onto XG-ALG films might be mediated by (i) H bonding between E protein (located at virus particle surface) polar residues and hydroxyl groups present on XG-ALG surfaces and (ii) electrostatic interaction between E protein positively charged residues and ALG carboxylic groups. DENV-4 serotype presented the weakest adsorption onto XG-ALG surfaces, indicating that E protein on DENV-4 surface presents net charge (amino acid sequence) different from E proteins of other serotypes. All four DENV particles serotypes adsorbed similarly onto lectin films adsorbed. Nevertheless, the addition of 0.005 mol/L of mannose prevented dengue particles from adsorbing onto lectin films. XG-ALG and lectin layers serve as potential materials for the development of diagnostic methods for dengue. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Alginate-chitosan particulate delivery systems for mucosal immunization against tuberculosis

Although vaccination is still the most cost-effective strategy for tuberculosis control, there is an urgent need for an improved vaccine. Current BCG vaccine lacks efficacy in preventing adult pulmonary tuberculosis, the most prevalent form of the disease. Targeting nasal mucosa, Mycobacterium tuberculosis infection site, will allow a simpler, less prone to risk of infection and more effective immunization against disease. Due to its biodegradable, immunogenic and mucoadhesive properties, chitosan particulate delivery systems can act both as carrier and as adjuvant, improving the elicited immune response. In this study, BCG was encapsulated in alginate and chitosan microparticles, via a mild ionotropic gelation procedure with sodium tripolyphosphate as a counterion. The particulate system developed shows effective modulation of BCG surface physicochemical properties, suitable for mucosal immunization. Intracellular uptake was confirmed by effective transfection of human macrophage cell lines.