Monoolein cubosome formation using solvent-exchange in bulk and microfluidics: the effect of DODAB and DDAB addition

Abstract

Monoolein is an ubiquitous lipid in the production of drug delivery formulations mostly because of its propensity to form highly attractive cubosome nanoparticles. Cubosomes consist of dispersions of lipid bicontinuous cubic phases in water typically, stabilized with an amphiphilic polymer. Solvent-exchange is an energetically efficient and scalable process where the lipid is dissolved in a solvent miscible with water, like ethanol, and rapidly added to an aqueous solution. However, this process has issues mainly related to the poor size control over the particles produced. Previously, it was observed that by employing a solvent exchange approach in a microfluidic device, one could have control over the size of monoolein nanoparticles by manipulating the flow rate ratio between the ethanolic lipid solution and the two aqueous side-streams. It was shown that the particle size decreased with the increase of the flow rate ratio. In this work, we explore the effect of the addition of cationic lipid (DDAB or DODAB) to monoolein nanoparticles with the goal of embedding cationic charge on such particles to make them suitable for the encapsulation of nucleic acids. Contrary to neat monoolein, the presence of cationic lipids makes the final particle size independent of the flow rate. Additionally, the particles are markedly smaller, with the size of cationic lipid-monoolein nanoparticles dependent on total lipid concentration and the proportion of cationic lipid to monoolein. The size of the nanoparticles produced decrease with the increase of the ratio of cationic lipid to monoolein or by decreasing the total lipid concentration. In respect to the particles' structure, SAXS measurements did not provide evidence of cubic structures. Nonetheless, when samples are observed with Transmission Electron Microscopy with negative staining, hexagonal patterns are visible. This observation may indicate the presence of a cubic phase, but alternative scenarios should still be considered.

Na produção de formulações para entrega de fármacos a monoleína é considerado um lípido universal com base na sua propensão para formar cubossomas. Estas nanopartículas consistem em dispersões de fases cúbicas bicontínuas em água, tipicamente estabilizadas com um polímero anfifílico. O método de troca de solventes é um processo energeticamente eficiente e reproduzível onde o lípido é dissolvido num solvente miscível com a água, como o etanol, e rapidamente adicionado a uma solução aquosa. No entanto, este processo apresenta alguns entraves como a ausência de controlo sobre o tamanho das partículas produzidas. Anteriormente foi observado que a aplicação do método de troca de solventes em microfluídica possibilitou o controlo do tamanho das nanopartículas de monoleína através da manipulação do rácio de fluxo entre a solução de lípido dissolvido em etanol e as soluções aquosas laterias, mais especificamente, pelo aumento do rácio de fluxo, o tamanho das partículas diminuía. Neste trabalho exploramos o efeito da adição de lípido catiónico (DDAB ou DODAB) nas nanopartículas de monoleína com o objetivo de incorporar carga positiva nas partículas, capacitando-as a encapsular ácidos nucleicos. Contrariamente ao que acontecia num sistema de monoleína puro, na presença de lípidos catiónicos o tamanho final das partículas torna-se independente das condições de fluxo. Além disso, as partículas que se formam são significativamente mais pequenas, sendo que o tamanho das nanopartículas de lípido catiónico e monoleína é dependente da concentração de lípido total a da proporção de lípido catiónico para monoleína. Essencialmente, o tamanho das nanopartículas produzidas diminui com o aumento do rácio de lípido catiónico para monoleína e pela diminuição da concentração de lípido total da formulação. De acordo com a estrutura das partículas, quando realizamos testes em SAXS não há evidência de estruturas cúbicas, no entanto, quando as amostras são submetidas a análises em TEM com marcação negativa, estruturas com padrões hexagonais são visíveis. Esta observação poderá indicar a presença de uma fase cúbica, mas cenários alternativos ainda têm que ser considerados.