Neutroner og akustisk levitasjon gir ledetråder i frysetørkingsprosesser

PHYSIK IM THEATER: Triumph und Tragödie – Vom Sein zum Werden (08.02.2017) (Juni 2019).

Anonim

Tørkingsprosessen er et kritisk sluttstadium i ulike produksjonsprosesser - det påvirker kvaliteten på mange produkter og har mange industrielle applikasjoner, spesielt innen mat og farmasøytiske sektorer. Frysetørking (lyofilisering) er en tørkemetode hvor løsningsmidlet er frosset før tørking og deretter sublimert. I tillegg til å gi en utvidet holdbarhet, bør vellykket frysetørking gi et produkt som har kort rekonstitueringstid med akseptable potensnivåer. Prosessen bør være reproduserbar med veldefinerte temperatur-, pH- og tidsparametere for hvert trinn. Visuelle og funksjonelle egenskaper av det tørkede produktet er også viktige for mange anvendelser.

I legemidler brukes frysetørking ofte til å bevare integriteten og bioaktiviteten til proteinmedikamenter, og minimerer kjemisk og fysisk nedbrytning i løpet av holdbarheten. Dessverre for en slik integrert prosess garanterer oppbevaring i frysetørkede tilstander ikke langsiktig stabilitet, og aggregering observeres ofte etter tining eller rekonstituering av frysetørkede pulverprøver. Et spesielt problem er dannelsen av is som er kjent for å ha en destabiliserende effekt på proteinmolekyler under frysing. Derfor er et viktig skritt for å optimalisere bevaring og stabilisering av prøver å forstå de biofysiske mekanismene som er involvert under frysetørkingsprosessen - et kunnskapsgap som nylig ble behandlet av Institut Laue Langevin (ILL). Dette arbeidet var et samarbeid mellom ILL, Soleil, CEMHTI laboratoriet i Orleans og Universitetet i Palermo.

Studien fokuserte på den strukturelle evolusjonen av proteinløsninger opp til overmetningsbetingelser, skapt ved delvis fordampning av løsningsmidlet, for å etterligne tørkeprosessbetingelser. Dette muliggjorde strukturell analyse som ble oppnådd i en rekke tidsintervaller ved forskjellige tørkeforhold i prøven, og dermed muliggjøre at data ble samlet inn under selve prosessen og etterlikner realistiske laboratorieforhold. Containerinteraksjoner og forurensning av prøven kan påvirke kraftig den frysetørkede prosessen og dermed kvaliteten på sluttproduktet - det finnes ikke et universelt "trygt" valg av beholder. Derfor, for å sikre optimal forståelse av frysetørkingsprosessen, må det brukes beholderfrie eller "kontaktløse" teknikker. I denne studien var akustisk levitasjon den valgte teknikken - faste og flytende prøver plassert i omgivende medium (omgivende luft eller definert gass) ved hjelp av et stasjonært ultralydfelt som skaper en trykkgradient i mediet.

En enkelt dråpe holdes i en knutepunkt av en stående akustisk bølge, og unngår kontakt med en termisk ledende holdeanordning. Dråpestørrelsen kan styres i et bredt område på opptil 5 mm i diameter. Den omkringliggende tørkegassen kan kondisjoneres slik at dens temperatur, relativ luftfuktighet og strømningshastighet forbi dråpen styres nøyaktig. Fordampning av oppløsningsmidlet under levitasjon reduserer gradvis volumet av dråpen og øker dermed den tilsvarende konsentrasjon av løsningsmidlet. Dermed kunne dannelse av aggregater og krystallisasjonsprosesser følges in situ for å identifisere egnede krystalliseringsbetingelser.

Dette papiret viser kapasiteten til levitasjonsteknikken en gang integrert i SNS- og røntgenstråleskala (SAXS) strålelinjer. Til tross for de små mengder prøven som det er mulig å suspendere (bare få titalls nanoliter i volum), gjør den høye intensiteten av nøytroninstrumenter mulig in situ overvåkning av raske beholderløse reaksjoner, som gir detaljerte molekylære og strukturelle opplysninger.

Endringer i SANS- og SAXS-signalintensitetene gir informasjon om partikkelavstander og morfologi av proteiner, mulig dannelse av større domener, som klynger eller heterogeniteter, direkte knyttet til tørkebetingelsene. Det ble observert at, med tanke på et lysozym oppløst i D2O-oppløsning ved lav konsentrasjon, blir sentrum-til-senteravstandene mellom proteiner mindre på grunn av at fordampningen induserer en økning i konsentrasjon. For høye konsentrasjonsløsninger endres avstanden mellom molekyler lite under fordamping.

Den akustiske levitasjonsanordningen viser potensialet når det brukes i kombinasjon med synkrotronstråling sirkulær dikroisme. Foreløpige resultater på myoglobin i vandig oppløsning tillater å følge opp utviklingen av den sekundære strukturen av proteinet som en funksjon av konsentrasjon, noe som avslører en økning av a-helices innhold og fullt tap av parallelle p-ark. Resultatene viser at den akustiske levitatoren kan brukes som et verktøy for strukturanalyse og at det lett tillater den kontaktløse studien av mange typer prøver.

Neutroner er det ideelle verktøyet for denne type eksperiment på grunn av deres ikke-destruktive egenskaper, slik at data kan samles ved romtemperatur, nærmere fysiologiske temperaturer og resulterer i bestemmelse av "skadefri" strukturer - essensielt for å studere biologiske molekyler. SAXS-eksperimenter ble utført på SOLEIL-synkrotronens SWING-strålelinje mens SANS ble utført på ILLs D16- og D33-instrumenter.

Denne studien tillater oss å validere levitasjonsmetodikk for å undersøke bio-baserte materialer under tørkeprosessen. Etter vår kunnskap er denne SANS-undersøkelsen kombinert med akustisk levitation den første studien av sin type.

Ved hjelp av disse avanserte analytiske metoder for karakterisering av ulike legemidler, inkludert små molekyler og proteiner, stoffer og produkter, åpner vi vei for ny innsikt i aggregering og krystallisasjonsfenomener. En bedre forståelse av de biokjemiske mekanismene i disse klassene av bio-materialer er nødvendig for å forbedre langsiktig stabilitet av farmasøytiske formuleringer. Disse studiene kan understøtte forbedringer i industrielle prosesser som sprøytetørking og sprøytefrysing og prosessutvikling av legemidler og biofarmaceutiske produkter.

Oppførselen av proteinløsninger ved lav temperatur og rollen som kryo- og lybeskyttende midler tilsatt til en proteinløsning ved hjelp av neutron (SANS) teknikker vil være hovedtemaet for fremtidig arbeid på dette området.

menu
menu