Ici, nous présentons un protocole de dérivation de dispositifs médicaux avec des protéines thérapeutiques en conjuguant des protéines thérapeutiques à une membrane d’alcool polyvinylique coulée sur des dispositifs médicaux. La conjugaison de thérapies à base de protéines permet une administration localisée et concentrée et constitue une approche rentable qui nécessite des quantités de médicament beaucoup plus faibles pour le dosage tout en minimisant les effets hors cible.
Un abonnement JoVE est requis pour visualiser ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre période d'essai gratuite.
Article de méthode
Validation de la conjugaison d’agents thérapeutiques à des dispositifs médicaux enrobés d’alcool polyvinylique
Dans cet article
Résumé
Résumé
Les thérapies à base de protéines sont souvent limitées par leur voie d’administration et leur incapacité à les confiner à leur site d’action. Une approche innovante que nous avons développée consiste à lier de manière covalente des protéines thérapeutiques à des dispositifs médicaux, permettant une administration plus localisée et plus concentrée de ces agents à leur site d’action prévu. Cette étude vise à évaluer si le glucagon-like peptide-2 (GLP-2) peut être lié de manière covalente aux dispositifs de manchon d’expansion vaginale (VES) et de manchon d’expansion intestinale (IES) en quantités cliniquement pertinentes et mesurables.
Les manchons d’expansion ont été recouverts d’alcool polyvinylique (PVA) et réticulés avec de la vapeur de glutaraldéhyde/acide sulfurique pour créer une surface chimiquement active capable de lier des produits thérapeutiques contenant des amines tels que le GLP-2. Une courbe standard a été créée en liant 250 μg, 100 μg, 50 μg, 25 μg et 0 μg de GLP-2 à des puits revêtus de PVA d’une plaque de 24 puits. Une norme ELISA a été créée à l’aide d’un anticorps anti-GLP-2 de lapin, suivi d’un anticorps secondaire anti-phosphatase alcaline IgG de lapin et d’un substrat de micropuits bleu de phosphatase alcaline. La colorimétrie (jaune à bleu à 620 nm) était proportionnelle à la concentration d’anticorps liés au GLP-2, ce qui a permis de calculer la concentration liée au GLP-2 sur les manchons revêtus de PVA. L’ajout de 50 μg de GLP-2 aux dispositifs IES/VES a lié une moyenne de 22,69 ± 9,32 μg/cm2 de GLP-2 avec une surface externe IES/VES (9,425 cm2), ce qui indique que 44 % du GLP-2 ajouté a été immobilisé sur les manchons IES/VES revêtus de PVA.
La posologie actuelle du GLP-2 chez l’homme est de 50 μg/kg. Étant donné que chaque manchon contient 22 μg, cela représente environ 44 % d’une dose systémique dans un seul appareil. Cette méthodologie permet d’ajouter des doses considérablement plus faibles d’agents thérapeutiques pour obtenir le même effet que l’administration systémique du médicament GLP-2 tout en évitant les effets systémiques.
Introduction
Les thérapies à base de protéines telles que les enzymes, les anticorps, les cytokines, les hormones et les facteurs de croissance se sont révélées très efficaces dans le traitement de plusieurs maladies1. Si nous améliorons notre compréhension de la façon de fournir ces agents thérapeutiques, nous pourrions faire progresser considérablement la biotechnologie pour l’application de ces substances en tant que médicaments/traitements médicaux1. L’efficacité des protéines thérapeutiques est limitée par leur biodistribution, leur coût et leurs effets hors cible. Plusieurs approches ont été tentées pour améliorer la pharmacocinétique et la pharmacodynamique des protéines thérapeutiques, notamment la pégylation, la glycosylation, la lipidation et la fusion d’autres protéines2. La « ciblabilité » est une autre préoccupation, car la plupart des protéines thérapeutiques actuelles ont plusieurs sites d’action, ce qui entraîne des effets hors cible. Plus précisément, le ciblage de ces médicaments sur les sites souhaités pourrait réduire la dose thérapeutique requise et réduire les effets secondaires2. Si l’on pouvait limiter l’administration du médicament au site d’action prévu, il serait possible d’améliorer radicalement le traitement tout en limitant les effets secondaires indésirables « hors cible » de ces médicaments.
À l’heure actuelle, plusieurs dispositifs médicaux contenant des produits thérapeutiques sont utilisés, tels que des endoprothèses à élution de médicament avec un revêtement antiprolifératif contenant du clopidogrel, de la vincristine et de la vinblastine pour aider à prévenir la resténose et la nécessité d’une revascularisation répétée après un cathétérisme cardiaque3. De plus, des endoprothèses urétérales biodégradables à élution médicamenteuse contenant du paclitaxel, de la doxorubicine, de la gemcitabine et d’autres agents antiprolifératifs ont été créées pour aider à traiter le carcinome urothélial des voies supérieures4. Au fur et à mesure que ces stents se dégradent, les médicaments antitumoraux sont libérés localement de manière contrôlée, ce qui prolonge l’administration du médicament sans qu’il soit nécessaire de recourir à une dose supplémentaire4. Cette méthodologie permet d’obtenir l’effet à long terme des médicaments antitumoraux au site d’action prévu tout en prévenant la nécessité d’une exposition systémique, en limitant l’action du médicament sur les cellules non tumorales et en réduisant la toxicité des médicaments. De plus, la nature biodégradable de l’endoprothèse peut également éviter la nécessité d’une procédure de retrait de l’endoprothèse4.
Le syndrome de l’intestin court (SBC) est une autre affection pour laquelle l’utilisation de traitements à base de protéines a montré une amélioration significative chez les patients5. Le SBS peut survenir par divers mécanismes, mais entraîne une longueur intestinale insuffisante, provoquant une malabsorption et une malnutrition. Des thérapies, telles que les analogues du peptide 2 de type glucagon (GLP-2), peuvent être utilisées avant de passer à la prise en charge chirurgicale de cette affection5. Le GLP-2 humain, une hormone peptidique nutritive systémique, est produit dans l’intestin grêle distal et le côlon par des cellules endocrines de type L. Le GLP-2 induit la prolifération des cellules de la crypte intestinale, favorise la réparation de la muqueuse endommagée, inhibe l’apoptose des cellules épithéliales intestinales et améliore l’approvisionnement intestinal en sang5. Les analogues du GLP-2, tels que le téduglutide, ont été approuvés pour les patients de 1 an ou plus pour le traitement du SBS afin d’aider à augmenter l’adaptation intestinale naturelle6. Naturellement, l’adaptation intestinale peut prendre des années et entraîne un retard de la vidange gastrique pour augmenter le temps d’absorption et une augmentation du diamètre par dilatation intestinale pour augmenter la surface d’absorption7. Les analogues du GLP-2 ont la même activité pharmacologique que le GLP-2 naturel tout en ayant une structure plus stable, ce qui permet une demi-vie plus longue et une affinité plus forte pour les cibles5. À l’heure actuelle, le coût annuel du teduglutide est de 295 000 $ et la dose pour le patient est de 0,05 mg/kg par jour5. Les effets secondaires du teduglutide comprennent des nausées, des vomissements, de la diarrhée, des douleurs abdominales, une perte de poids, des polypes gastro-intestinaux et une croissance accrue des tumeurs existantes5.
Auparavant, notre laboratoire a montré que le déploiement d’un manchon d’expansion intestinale (IES) (Figure 1) était capable de produire une élongation immédiate de 36,2 % de l’intestin grêle ex vivo et une élongation de 30,2 % de l’intestin grêle après un déploiement d’un mois in vivo 6,8. Ce dispositif pourrait devenir une thérapie pour les patients atteints de SBS qui pourrait raccourcir la dépendance à la nutrition parentérale. La capacité de bioconjuguer des produits thérapeutiques au dispositif IES pourrait encore améliorer la capacité d’entérogenèse de distraction en ajoutant l’agoniste de la croissance de la muqueuse intestinale GLP-2 au dispositif. Les membranes d’alcool polyvinylique (PVA) sont des polymères hydrophiles qui peuvent être préparés en dissolvant le PVA dans l’eau, en le coulant sur un support structurel, puis en le réticulant avec le glutaraldéhyde en utilisant de l’acide sulfurique comme catalyseur9. Il a été démontré que ces nanoparticules d’hydrogel ont un potentiel en tant que systèmes d’administration de médicaments par diffusion de médicaments, gonflement de la matrice d’hydrogel et réactivité chimique du médicament/matrice10. Le PVA a été approuvé par la FDA pour une utilisation clinique chez l’homme en raison de son excellente biocompatibilité et de son innocuité11. La polymérisation du PVA donne des groupes terminaux qui permettent la bioconjugaison12.
Les appareils IES/VES ont une longueur de 3 cm avec une surface externe de 9,425cm2 qui sont capables de couler avec des membranes PVA. Ces membranes PVA peuvent être bioconjuguées avec du GLP-2 pour permettre une administration localisée et concentrée d’agents thérapeutiques. Réduire la dose requise du médicament et contourner la nécessité d’une administration systémique, évitant ainsi les effets négatifs hors site du traitement. Cela peut aider à atténuer le coût de ces médicaments coûteux en nécessitant moins de dosage, et la libération retardée du médicament peut diminuer la fréquence de dosage, réduisant ainsi les coûts. Le revêtement du dispositif IES avec du GLP-2 pourrait réduire les doses requises, faire économiser de l’argent aux patients, éviter l’administration systémique, prévenir les effets négatifs du traitement et maintenir une livraison continue du médicament au site cible. Ce rapport évalue dans quelle mesure une protéine thérapeutique, comme le GLP-2, peut être liée de manière covalente à des dispositifs médicaux tels que les dispositifs IES/VES en quantités physiologiquement significatives pour fournir le bénéfice local de ces médicaments tout en évitant les effets hors cible.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Protocole
REMARQUE : Les sections 1 et 2 sont remplies en même temps. Le revêtement avec du PVA et la réticulation de la membrane PVA doivent être effectués en même temps pour les manchons d’expansion et la plaque à 24 puits. Cela leur permet d’être prêts en même temps à créer la courbe standard avec la plaque à 24 puits pour utiliser l’absorbance pour calculer la concentration GLP-2 de chaque manchon.
1. Création d’appareils IES et VES revêtus de GLP-2
- Préparez la solution de PVA à 5 % en ajoutant 5 g de PVA dans 100 ml d’eau déminéralisée. Pour aider à dissoudre, pensez à remuer sur une plaque chauffante. Ensuite, préparez la solution de GLP-2 à 1 mg/mL en ajoutant 1 mg de GLP-2 dans 1 mL d’eau désionisée.
- Précontractez les manchons d’expansion intestinale et les manchons d’expansion vaginale sur une pipette en verre, en stabilisant les extrémités avec des pipettes en plastique coupées pour s’adapter étroitement à la pipette en verre autour des manchons précontractés.
- Peignez les manchons précontractés avec le PVA préfabriqué à 5 % à l’aide d’un petit pinceau. Après avoir peint une couche de PVA, laissez sécher les manchons à température ambiante (RT) pendant 10 min, puis peignez une autre couche pour un total de 5 couches de PVA sur chaque manchon.
- Une fois que la 5ème couche a séché, placez les manchons précontractés dans un dessiccateur sous un capot de sécurité chimique pour leur permettre de réticuler à RT. Initiez la réticulation en ajoutant 3 ml de glutaraldéhyde à 25 % et 3 ml d’acide sulfurique à 94 % à 98 % pour séparer les béchers ouverts dans le dessiccateur pour que les vapeurs réagissent et réticulez les membranes PVA sur les manchons.
- Après avoir réticulé les manchons dans la chambre pendant 48 h, sortez-les de la chambre et laissez le glutaraldéhyde s’évaporer des manchons pendant 15 min.
- Ensuite, ajoutez 50 μL de la solution de GLP-2 à 1 mg/mL en pipetant soigneusement sur chaque manchon. Laissez sécher pendant 30 minutes à RT avant de retirer les manchons pré-contractés de la pipette en verre et d’ajouter chaque manchon dans le puits respectif sur la plaque à 24 puits.
2. Création de la plaque à 24 puits revêtue de GLP-2
- Pour obtenir la courbe standard du GLP-2 liée au PVA, pipetez 50 μL de PVA à 5 % sur le fond de 18 des puits destinés à être utilisés d’une plaque à 24 puits. Laissez 6 puits vides pour contenir les appareils IES et VES (3 pour chaque type d’appareil).
- Laisser sécher la couche de PVA sur la plaque à 24 puits pendant une nuit dans un four à 120 °C.
- Placez la plaque à 24 puits dans un dessiccateur sous un capot de sécurité chimique pour permettre au PVA de se réticuler pendant 48 h à RT. Amorcez la réticulation en ajoutant 3 ml de glutaraldéhyde à 25 % et 3 ml d’acide sulfurique à 94 % à 98 % pour séparer les béchers ouverts afin que les vapeurs puissent réagir à l’intérieur de la chambre pour réticuler le PVA sur la plaque à 24 puits.
- Après 48 h de réticulation, retirer la plaque à 24 puits de la chambre et laisser le glutaraldéhyde s’évaporer de la plaque pendant 15 min.
- Ensuite, établissez un gradient de concentration en ajoutant 250 μL, 100 μL, 50 μL, 25 μL et 0 μL de solution de GLP-2 à 1 mg/mL dans leurs puits marqués, créant ainsi la plaque à 24 puits avec 3 puits pour chaque concentration de GLP-2 (250 μg, 100 μg, 50 μg, 25 μg et 0 μg) et 3 puits pour chaque type de manchon (IES et VES).
3. Création d’une courbe standard et d’une concentration de GLP-2 dans le manchon
- Une fois que les dilutions respectives du GLP-2 ont été ajoutées dans les puits et que les manchons enrobés de médicament ont été ajoutés aux puits, réfrigérer la plaque pendant la nuit à 4 °C pour permettre la liaison du médicament.
- Le lendemain, ajouter 2 mL de 1 mg/mL de lait en poudre dans une solution de blocage d’eau désionisée dans chaque puits pendant 1 h. Après le blocage, lavez chaque puits 3 fois avec du PBS pendant 5 minutes à chaque lavage.
- Préparez la solution d’anticorps anti-GLP-2 de lapin en ajoutant 40 μL d’anticorps anti-GLP-2 de lapin dans 50 ml d’eau désionisée. Ensuite, ajoutez 2 ml de la solution d’anticorps GLP-2 de lapin dans chaque puits de la plaque à 24 puits et réfrigérez toute la nuit à 4 °C.
- Après l’incubation primaire de l’anticorps, lavez-vous bien 3 fois avec du PBS pendant 5 minutes à chaque lavage. Préparez la phosphatase alcaline IgG anti-lapin produite dans une solution d’anticorps secondaires de chèvre en ajoutant 20 ml d’anticorps secondaires dans 40 ml d’eau désionisée. Ensuite, ajoutez 2 ml de solution secondaire d’anticorps dans chaque puits et laissez-le reposer pendant 2 h à RT.
- Aspirez la solution d’anticorps secondaire et lavez-les bien avec 3 autres lavages PBS pendant 5 minutes chacun. Ensuite, ajoutez le substrat de micropuits bleu de phosphatase alcaline dans chaque puits.
- Laisser la phosphatase alcaline conjuguée à l’anticorps secondaire réagir avec le substrat pendant 20 min à RT. Au fur et à mesure que la réaction progresse, surveillez la couleur de la solution pour passer du jaune au bleu.
- Arrêtez la réaction en pipetant 200 μL de solution de chaque puits et placez-la dans une plaque de 96 puits étiquetée de la même manière que la plaque de 24 puits. Une fois que le réactif est retiré de la plaque à 24 puits avec la membrane PVA conjuguée à l’enzyme phosphatase alcaline, la réaction s’arrêtera et la couleur ne changera pas.
- Lire la plaque à 96 puits à l’aide d’un lecteur de microplaques à absorbance à une longueur d’onde de 620 nm pour générer la courbe standard et calculer la concentration de GLP-2 sur les manchons revêtus de PVA.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Résultats
Ce protocole décrit l’enrobage et la réticulation des dispositifs IES et VES avec du PVA pour permettre la conjugaison du GLP-2. La figure 2 montre la courbe standard générée pour déterminer la concentration de GLP-2 sur chaque dispositif. La figure 3 montre la concentration de GLP-2 de chaque dispositif IES et VES, ainsi que la concentration des puits utilisés pour la courbe standard. Les manchons avaient une concentration moyenne de GLP-2 de 22,69 ± 9,32 μg/cm...
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Discussion
Nous présentons ici une méthodologie pour lier des thérapies à base de protéines, telles que le GLP-2, à des dispositifs médicaux recouverts de PVA et réticulés. La concentration du GLP-2 lié a été déterminée par la création d’une courbe de concentration standard de GLP-2 sur des plaques à 24 puits recouvertes de PVA par l’ajout d’anticorps anti-GLP-2 de lapin, de phosphatase alcaline IgG de chèvre et de phosphatase alcaline bleue. L’anticorps secondaire conjugué à une enzyme phosphatase...
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Déclarations de divulgation
Jonathan Steven Alexander et Christen J. Boyer détiennent le brevet US10537659B2, des dispositifs médicaux à base d’alcool polyvinylique imprimés en 3D et des méthodes d’activation (2017). Les autres auteurs n’ont rien à divulguer.
Remerciements
Cette recherche a été financée par R. Keith White, MD, via le Fonds de la chaire John C. McDonald du Département de chirurgie, W. Reid Grimes, MD pour un financement par le biais du Fonds de chaire Whitney Boggs du Département de chirurgie, et la subvention LSU LIFT2, HSCS-2022-LIFT-002.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| IgG anti-lapin (molécule entière)&ndash ; Anticorps anti-peroxydase produit chez la chèvre | Sigma-Aldrich | A0545-1ML | |
| BluePhos Microwell Substrate Kit | Sera Care | 5120-0059 | |
| GenClone 25-107, 24 puits Plaques de culture cellulaire Puits à fond plat, traités TC, 100 plaques/unité | Genesee Scientific ; | 25-107 | |
| GLP-2 Anticorps monoclonal recombinant de lapin (3K3P5) | Invitrogen ; | MA5-42869 | |
| Glucagon-like Peptide-2 (GLP-2) (1-33), rat | Echelon Biosciences | 195262-56-7 | |
| Glutaraldéhyde, solution aqueuse à 25 % | Sigma-Aldrich | 111-30-8 | |
| Dessiccateur en polypropylène Nalgene avec robinet d’arrêt | ThermoFisher Scientific | 5310-0250 | |
| Poly(alcool vinylique) | Sigma-Aldrich | 9002-89-5 | |
| Acide sulfurique (qualité TraceMetal), Fisher Chemical | Fischer Scientific | A510-P212 |
Références
- Conner, K. P., Devanaboyina, S. C., Thomas, V. A., Rock, D. A. The biodistribution of therapeutic proteins: Mechanism, implications for pharmacokinetics, and methods of evaluation. Pharmacol Ther. 212, 107574(2020).
- Ebrahimi, S. B., Samanta, D. Engineering protein-based therapeutics through structural and chemical design. Nat Commun. 14 (1), 2411(2023).
- Senst, B., Goyal, A., Basit, H., Borger, J. Drug Eluting Stent Compounds. , StatPearls Pubs. Treasure Island, FL. (2024).
- Shan, H., et al. Advances in drug delivery via biodegradable ureteral stent for the treatment of upper tract urothelial carcinoma. Front Pharmacol. 11, 224(2020).
- Zhu, C., Li, Y. An updated overview of glucagon-like peptide-2 analog trophic therapy for short bowel syndrome in adults. J Int Med Res. 50 (3), 3000605221086145(2022).
- Clayton, S., et al. Self-expanding intestinal expansion sleeves (IES) for short gut syndrome. Pediatr Surg Int. 38 (1), 75-81 (2022).
- Rosete, B. E., Wendel, D., Horslen, S. P. Teduglutide for pediatric short bowel syndrome patients. Expert Rev Gastroenterol Hepatol. 15 (7), 727-733 (2021).
- Novel Intestinal Expansion Sleeve (IES): promoting distraction enterogenesis in a live animal model. Colvin, J. C., et al. 39th Southern Biomedical Engineering Conference, , (2023).
- Kim, K. J., Lee, S. B., Han, N. W. Kinetics of crosslinking reaction of PVA membrane with glutaraldehyde. Korean J Chem Eng. 11 (1), 41-47 (1994).
- Hamidi, M., Azadi, A., Rafiei, P. Hydrogel nanoparticles in drug delivery. Adv Drug Deliv Rev. 60 (15), 1638-1649 (2008).
- Chong, S. F., Smith, A. A., Zelikin, A. N. Microstructured, functional PVA hydrogels through bioconjugation with oligopeptides under physiological conditions. Small. 9 (6), 942-950 (2013).
- Jensen, B. E., Dávila, I., Zelikin, A. N. Poly(vinyl alcohol) physical hydrogels: Matrix-mediated drug delivery using spontaneously eroding substrate. J Phys Chem B. 120 (26), 5916-5926 (2016).
- Teduglutide for short bowel syndrome. Aust Prescr. 43 (2), 72-73 (2020).
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Réimpressions et autorisations
