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.

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.

The in vivo fate of nanoparticles and nanoparticle-loaded microcapsules after oral administration in mice: Evaluation of their potential for colon-specific delivery

Anti-cancer drug loaded-nanoparticles (NPs) or encapsulation of NPs in colon-targeted delivery systems shows potential for increasing the local drug concentration in the colon leading to improved treatment of colorectal cancer. To investigate the potential of the NP-based strategies for colon-specific delivery, two formulations, free Eudragit® NPs and enteric-coated NP-loaded chitosan–hypromellose microcapsules (MCs) were fluorescently-labelled and their tissue distribution in mice after oral administration was monitored by multispectral small animal imaging. The free NPs showed a shorter transit time throughout the mouse digestive tract than the MCs, with extensive excretion of NPs in faeces at 5 h. Conversely, the MCs showed complete NP release in the lower region of the mouse small intestine at 8 h post-administration. Overall, the encapsulation of NPs in MCs resulted in a higher colonic NP intensity from 8 h to 24 h post-administration compared to the free NPs, due to a NP ‘guarding’ effect of MCs during their transit along mouse gastrointestinal tract which decreased NP excretion in faeces. These imaging data revealed that this widely-utilised colon-targeting MC formulation lacked site-precision for releasing its NP load in the colon, but the increased residence time of the NPs in the lower gastrointestinal tract suggests that it is still useful for localised release of chemotherapeutics, compared to NP administration alone. In addition, both formulations resided in the stomach of mice at considerable concentrations over 24 h. Thus, adhesion of NP- or MC-based oral delivery systems to gastric mucosa may be problematic for colon-specific delivery of the cargo to the colon and should be carefully investigated for a full evaluation of particulate delivery systems.

Dual Drug Delivery Microcapsules via Layer-by-Layer Self-Assembly

The integration of hydrophobic and hydrophilic drugs in the polymer microcapsule offers the possibility of developing a new drug delivery system that combines the best features of these two distinct classes of material. Recently, we have reported the encapsulation of an uncharged water-insoluble drug in the polymer membrane. The hydrophobic drug is deposited using a layer-by-layer (LbL) technique, which is based on the sequential adsorption of oppositely charged polyelectrolytes onto a charged substrate. In this paper, we report the encapsulation of two different drugs, which are invariably different in structure and in their solubility in water. We have characterized these dual drug vehicular capsules by confocal laser scanning microscopy, atomic force microscopy, visible microscopy, and transmission electron microscopy. The growth of a thin film on a flat substrate by LbL was monitored by UV−vis spectra. The desorption kinetics of two drugs from the thin film was modeled by a second-order rate model.

Multilayer single-component thin films and microcapsules via covalent bonded layer-by-layer self-assembly

Fabrication of single-component multilayer thin films still remains a challenging task via the layer-by-layer (LbL) approach. In this communication, we report the self-assembly of single-component multilayer thin films on flat and colloidal substrates through glutaraldehyde mediated covalent bonding.

Hollow hemisphere and microcapsules of nonionic copolymer

Hemispherical colloidal nanowells or microwells with hollow interiors are becoming increasingly important for the encapsulation of functional materials. There has been rapid progress to develop new methods to obtain such structures. In this work, we present emulsification approach to generate hemisphere and microcapsules of biocompatible organic polymer. The precise control over the size is exhibited by applying variable vortex effect. The hemispheres and microcapsules of a copolymer (BPVA-PVA) were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and confocal laser scanning microscopy (CLSM). These structures were used for loading of hydrophilic molecules and submicron colloidal particles to demonstrate their potential application. The introduction of hydrophobic groups on poly(vinyl alcohol) was crucial to obtain these structures.

Polyelectrolyte microcapsules for sustained delivery of water-soluble drugs

Polyelectrolyte capsules composed of weak polyelectrolytes are introduced as a simple and efficient system for spontaneous encapsulation of low molecular weight water-soluble drugs. Polyelectrolyte capsules were prepared by layer-by-layer (LbL) assembling of weak polyelectrolytes, poly(allylamine hydrochloride) (PAH) and poly (methacrylic acid) (PMA) on polystyrene sulfonate (PSS) doped CaCO3 particles followed by core removal with ethylene-diaminetetraacetic add (EDTA). The loading process was observed by confocal laser scanning microscopy (CLSM) using tetramethylrhodamineisothiocyanate labeled dextran (TRITC-dextran) as a fluorescent probe. The intensity of fluorescent probe inside the capsule decreased with increase in cross-linking time. Ciprofloxacin hydrochloride (a model water-soluble drug) was spontaneously deposited into PAH/PMA capsules and their morphological changes were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). The quantitative study of drug loading was also elucidated which showed that drug loading increased with initial drug concentration, but decreased with increase in pH. The loaded drug was released in a sustained manner for 6 h, which could be further extended by cross-linking the capsule wall. The released drug showed significant antibacterial activity against E. coli. These findings indicate that such capsules can be potential carriers for water-soluble drugs in sustained/controlled drug delivery applications. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Biologically triggered exploding protein based microcapsules for drug delivery

Biologically triggered exploding microcapsules were synthesized by layer-by-layer assembly of biopolymers. The microcapsules showed controlled rupturing behaviour upon exposure to a pathologically relevant biomolecule, trypsin. These microcapsules offer significant potential for clinical applications.

LbL-coated microcapsules as systems for encapsulation of optical brightening agent

We report the encapsulation of optical brightening agent (OBA) into hollow microcapsules prepared by the controlled Layer- by-Layer (LbL) self-assembly process, achieved by the sequential adsorption of oppositely charged polyelectrolytes using negatively charged silica template. Loading takes place by spontaneous deposition method which was proved by confocal laser scanning microscopy (CLSM) using rhodamine 6G (Rd6G) as a fluorescent probe. The loading of the OBA into the microcapsules was found to be dependent on the feeding concentration, pH of the medium, and loading temperature. The encapsulation efficiency of OBA decreased on increasing feeding concentration. Maximum loading was observed at pH 4 and amount of OBA loaded decreased with increase in pH. The loaded OBA was released in a sustained manner for 8 h. No degradation of the OBA was observed during the process of encapsulation and release. Polyelectrolyte capsules potentially offer an innovative way of encapsulating large amounts of active materials for a variety of applications. (c) 2012 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 127: 1609-1614, 2013

Dual enzyme responsive microcapsules simulating an ``OR'' logic gate for biologically triggered drug delivery applications

Hollow microcapsules capable of disintegrating in response to dual biological stimuli have been synthesized from two FDA approved drug molecules. The capsules fabricated from protamine and chondroitin sulphate disintegrate in the presence of either trypsin or hyaluronidase enzymes, which are documented to be simultaneously over-expressed under some pathological conditions.

Albumin-mediated incorporation of water-insoluble therapeutics in layer-by-layer assembled thin films and microcapsules

The present study demonstrates a method to deliver hydrophobic drugs by incorporation into thin films and microcapsules fabricated via a layer-by-layer assembly approach. The hydrophobic molecule binding properties of albumin have been exploited for solubilization of a water-insoluble molecule, pyrene (model drug), by preparation of non-covalent conjugates with bovine serum albumin (BSA). Conjugation with BSA renders a highly negative zeta potential to the previously uncharged pyrene which favors the assembly formation by electrostatic interaction with a positively charged polyelectrolyte, chitosan (at acidic pH). The growth of the assembly was followed by monitoring pyrene absorbance with successive layer deposition. The thin film assembly was demonstrated to be capable of releasing its hydrophobic cargo under physiological conditions. We demonstrated the applicability of this approach by encapsulating a water-insoluble drug, curcumin. These assemblies were further loaded with the anti-cancer drug Doxorubicin. Biocompatible calcium carbonate microparticles were used for capsule preparation. The porous nature of the microparticles allows for the pre-encapsulation of therapeutic macromolecules like protein. The fabrication of protein encapsulated stable microcapsules with hydrophobic molecules incorporated into the shell of the microcapsules has been demonstrated. The microcapsules were further capable of loading hydrophilic molecules like Rhodamine B. Thus, using the approach described, a multi-agent carrier for hydrophobic and hydrophilic drugs as well as therapeutic macromolecules can be envisioned.

Layer-by-Layer Assembled Thin Films and Microcapsules of Nanocrystalline Cellulose for Hydrophobic Drug Delivery

A layer-by-layer (LbL) approach has been employed for the fabrication of multilayer thin films and microcapsules having nanofibrous morphology using nanocrystalline cellulose (NCC) as one of the components of the assembly. The applicability of these nanoassemblies as drug delivery carriers has been explored by the loading of an anticancer drug, doxorubicin hydrochloride, and a water-insoluble drug, curcumin. Doxorubicin hydrochloride, having a good water solubility, is postloaded in the assembly. In the case of curcumin, which is very hydrophobic and has limited solubility in water, a stable dispersion is prepared via noncovalent interaction with NCC prior to incorporation in the LbL assembly. The interaction of various other lipophilic drugs with NCC was analyzed theoretically by molecular docking in consideration of NCC as a general carrier for hydrophobic drugs.

Photonic monitoring of chitosan nanostructured alginate microcapsules for drug release

By using a novel microfluidic set-up for drug screening applications, this study examines delivery of a novel risedronate based drug formulation for treatment of osteoporosis that was developed to overcome the usual shortcomings of risedronate, such as its low bioavailability and adverse gastric effects. Risedronate nanoparticles were prepared using muco-adhesive polymers such as chitosan as matrix for improving the intestinal cellular absorption of risedronate and also using a gastric-resistant polymer such as sodium alginate for reducing the gastric inflammation of risedronate. The in-vitro characteristics of the alginate encapsulated chitosan nanoparticles are investigated, including their stability, muco-adhesiveness, and Caco-2 cell permeability. Fluorescent markers are tagged with the polymers and their morphology within the microcapsules is imaged at various stages of drug release.

Biofunctionalization of alginate microcapsules: advances in cell-based drug delivery systems

172 p.