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Fabbricazione e caratterizzazione di idrogel PNP
Gli idrogel PNP si formano attraverso la miscelazione dei due componenti primari: polimeri HPMC idrofobicamente modificati e nanoparticelle PEG-PLA (Figura 1a). Il carico terapeutico è più facilmente incorporato nel tampone aggiuntivo utilizzato per diluire il componente della nanoparticella prima della preparazione dell'idrogel. Per la caratterizzazione biomedica a valle, è conveniente utilizzare un metodo di miscelazione del gomito che consenta una miscelazione semplice e riproducibile dei due componenti (Figura 1b). Dopo un'adeguata miscelazione, l'idrogel deve sentirsi fermo nella siringa, ma cedere sotto pressione ed estrudere da un ago standard (21G mostrato)(Figura 1c). Dopo l'iniezione, l'idrogel dovrebbe rapidamente essere impostato in un materiale solido che resiste al flusso dalla gravità. Per caratterizzare completamente l'idrogel e garantire prodotti coerenti da lotto a lotto, i campioni devono essere analizzati utilizzando diversi esperimenti su un reometro. Le capacità di diradamento e autoguarigione del gel saranno facilmente osservabili utilizzando rispettivamente un protocollo di sweep di flusso e un protocollo step-shear (Figura 2a,b). Per gel più rigidi, come la formulazione 2:10, l'utente deve cercare la viscosità per diminuire almeno due ordini di grandezza durante lo sweep di flusso poiché la velocità di taglio viene aumentata da 0,1 a 100 s-1, che simula le condizioni meccaniche durante l'iniezione. Il protocollo step-shear dovrebbe rivelare una diminuzione degli ordini di grandezza della viscosità sotto i gradini ad alto taglio e un rapido ritorno (tempo di recupero di <5 s) alla viscosità di base durante le fasi di taglio basse. La caratterizzazione dei moduli di stoccaggio e perdita mediante un esperimento di sweep di frequenza di taglio oscillatorio nel regime viscoelastico lineare dovrebbe rivelare proprietà solide a intervalli di frequenza da 0,1-100 rad s-1 (Figura 2c). In particolare, in genere non dovrebbe esserci un crossover dei moduli di stoccaggio e perdita di taglio che è osservabile a basse frequenze per formulazioni più rigide come gli idrogel 2:10. Tale evento crossover può indicare problemi nella qualità delle materie prime, sia il polimero HPMC o PEG-PLA modificato, sia le dimensioni e la dispersione delle nanoparticelle PEG-PLA. Va notato che ci si può aspettare un evento crossover per formulazioni idrogel più deboli, come l'idrogel 1:5. Le sweep di ampiezza oscillatoria del taglio sugli idrogel PNP rivelano che i materiali non producono fino a quando non vengono applicati alti valori di sollecitazione, indicando che questi materiali possiedono una sollecitazione di snervamento, una quantità soglia di sollecitazione necessaria affinché il materiale fluisca.
Caratterizzazione della cinetica di rilascio dagli idrogel PNP
Un passo essenziale nella progettazione di gel PNP per il rilascio di farmaci è la caratterizzazione della cinetica del rilascio di farmaci da una formulazione scelta. Esistono diverse tecniche a tal fine, ma una semplice metodologia in vitro fornisce dati utili durante lo sviluppo precoce della formulazione (Figura 3a). Variare il contenuto polimerico degli idrogel PNP modulando la quantità di HPMC-C12 o NPs è il modo più semplice per ottimizzare le proprietà meccaniche e le dimensioni delle maglie di questi idrogel, che possono avere un impatto diretto sulla diffusione del carico attraverso la rete polimerica e la velocità di rilascio dai materiali(Figura 3b). Per il carico che è più grande della dimensione dinamica delle maglie (cioè un elevato peso molecolare o un ampio raggio idrodinamico), i ricercatori dovrebbero aspettarsi un lento rilascio mediato dalla dissoluzione del carico dal deposito di idrogel. Formulazioni con maglie dinamiche maggiori o uguali alle dimensioni del carico consentiranno il rilascio mediato dalla diffusione che può essere descritto utilizzando modelli tradizionali di diffusione del caricoe rilascio 46,47,48,49. In base alla forma della curva di rilascio, i ricercatori possono riformulare l'idrogel per sintonizzarlo verso un rilascio più lento (ad esempio, aumentare il contenuto di polimeri) o più veloce (ad esempio, diminuire il contenuto di polimeri).
Valutazione della stabilità del carico terapeutico
Determinare la stabilità del carico terapeutico in una formulazione di idrogel è fondamentale prima di iniziare studi preclinici o cellulari. Rispetto ad altri metodi sintetici per l'incapsulamento dei farmaci, gli idrogel PNP incorporano il carico in modo delicato mescolando nel materiale sfuso ed è improbabile che l'incapsulamento danneggi il carico. Questi studi indicano che gli idrogel PNP possono anche stabilizzare il carico suscettibile all'instabilità termica, come l'insulina, prolungando notevolmente la durata di conservazione e riducendo la dipendenza dallo stoccaggio e dalla distribuzione a freddo (Figura 4). È importante valutare le condizioni del carico immediatamente dopo l'incapsulamento nell'idrogel e dopo lunghi periodi di stoccaggio. Questi dati mostrano che l'insulina rimane stabile negli idrogel dopo 28 giorni di conservazione sotto stress termico e meccanico continuo, utilizzando un semplice test di fluorescenza per misurare l'aggregazione dell'insulina. Una tecnica alternativa per i casi in cui non è disponibile un saggio appropriato sulle lastre consisterebbe nell'eseguire misurazioni circolari del dicroismo del carico, che è particolarmente utile per determinare la struttura secondaria dei farmaci proteici.
Determinazione della vitalità cellulare e della dispersione negli idrogel PNP
Molte cellule terapeutiche richiedono motivi di adesione per rimanere vitali, e quindi l'inclusione di motivi integrina come i peptidi arginina-glicina-acido aspartico (RGD) è un passo importante nell'adattamento degli idrogel PNP per le terapie cellulari50. Il polimeromodularePEG - PLA composto dai NP consente la funzionalizzazione chimica della corona PEG attraverso semplici sostanze chimiche "click"28,51. In questo esempio, peptidi RGD adesivi per cellule sono stati attaccati al polimero PEG-PLA per promuovere l'innesto cellulare con la struttura idrogel PNP. Le formulazioni prive di siti di adesione avranno una bassa vitalità cellulare in quanto le cellule incapsulate non proliferano rispetto alle cellule incapsulate in formulazioni con questi motivi di adesione (Figura 5a, b). Le cellule incapsulate possono essere etichettate con calceina AM o un altro colorante fluorescente appropriato (ad esempio, CFSE) per facilitare il conteggio delle cellule con un microscopio a fluorescenza. Durante l'ottimizzazione, la vitalità dovrebbe essere paragonata agli idrogel PNP non modificati per garantire che le formulazioni funzionalizzate all'integrina forniscano una maggiore vitalità e proliferazione. Se le formulazioni funzionalizzate all'integrina stanno fornendo un'efficacia simile a idrogel non modificati, ciò può indicare un fallimento nella chimica coniugazione utilizzata per incorporare i motivi di adesione.
I ricercatori dovrebbero aspettarsi che le cellule incapsulate siano disperse uniformemente attraverso il mezzo idrogel quando utilizzano un'appropriata formulazione di idrogel. Ciò consentirà un dosamento coerente e prevedibile delle cellule durante la somministrazione di idrogel e dovrebbe tradursi nella ritenzione locale delle cellule nell'idrogel dopo la somministrazione. La distribuzione delle cellule può essere facilmente determinata utilizzando tecniche di microscopia a fluorescenza. Le cellule possono essere etichettate con un colorante appropriato e quindi immagini utilizzando la microscopia confocale. Le immagini possono essere valutate visivamente (Figura 5c) e anche quantitativamente (Figura 5d) utilizzando il software ImageJ per misurare l'intensità media della fluorescenza lungo l'asse verticale dell'immagine (o lungo qualsiasi asse di sedimentazione cellulare dovuto alla gravità). Se la formulazione dell'idrogel è troppo debole per sostenere le cellule in sospensione su tempi prolungati, si verificherà la sedimentazione cellulare, come osservato nella formulazione 1:1 nella figura 5. L'aumento del contenuto di polimeri può risolvere i problemi con la dispersione delle cellule disomogenee a causa della sedimentazione.

Figura 1: Gli idrogel polimerico-nanoparticella (PNP) si formano facilmente mescolando due componenti. (a) Il primo componente è una soluzione di idrossipropilmetilcellulosa modificata dal dodecil (HPMC-C12), e il secondo componente è una soluzione di nanoparticelle di poli(glicole etilenico)-blocco-poli(acido lattico) (PEG-PLA) insieme a qualsiasi carico terapeutico. La miscelazione delicata di questi due componenti produce un idrogel iniettabile, dove i polimeri HPMC-C12 sono fisicamente collegati da interazioni dinamiche e multivalenti con le nanoparticelle PEG-PLA. bFotografiache dimostra la formulazione del gel mescolando con due siringhe, ognuna contenente un componente dell'idrogel PNP. Collegando le due siringhe con un connettore a gomito Luer-lock, i due componenti possono essere facilmente miscelati in condizioni sterili per produrre un idrogel privo di bolle precaricato in una siringa per un uso immediato. La soluzione NP è tinta di blu a scopo dimostrativo. cDimostrazionedell'iniezione di idrogel PNP e della loro ri-solidificazione. (i) Idrogel PNP in una siringa con un ago 21G attaccato. (ii) L'iniezione mette l'idrogel sotto taglio che rompe temporaneamente le interazioni tra polimero e nanoparticelle, creando una consistenza fluida. (iii) Dopo l'iniezione, le interazioni dinamico polimero-nanoparticella si riformano rapidamente, permettendo all'idrogel di auto-guarire in un solido. ( iv) L'idrogel solido non scorre sotto forze più deboli della sua sollecitazione di snervata, come la gravità. L'idrogel PNP è tinto di blu ai fini della dimostrazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Caratterizzazione reologica di due formulazioni di idrogel PNP. Le formulazioni sono denotati come wt polimerico.%: NP wt.%. (a) Il flusso di taglio costante spazza da bassa a alta velocità di taglio degli idrogel PNP. La viscosità in funzione della velocità di taglio caratterizza le proprietà di diradamento del taglio. (b) Viscosità in funzione delle oscillazioni delle velocità di taglio tra basse velocità di taglio (sfondo bianco; 0,1 s−1) a velocità di taglio elevate (sfondo rosso; 10 s−1)che dimostrano proprietà auto-curative degli idrogel PNP. Le velocità di taglio sono imposte per 30 s ciascuna. (c) Modulo di stoccaggio elastico G′ e modulo di perdita viscosa G" in funzione della frequenza ad un ceppo costante dell'1% per varie formulazioni di idrogel PNP. (d) Sweep di ampiezza ad una frequenza costante di 10 rad/s per caratterizzare il modulo di stoccaggio elastico G′ e il modulo di perdita viscosa G" degli idrogel PNP in funzione dello stress. Questa caratterizzazione reologica può essere utilizzata come confronto per il controllo di qualità. Questa cifra è stata adattata da Grosskopf etal.

Figura 3: Rilascio in vitro di albumina siere bovina (BSA) da idrogel PNP. Le formulazioni sono denotati come wt polimerico.%: NP wt.%. (a) Schema che descrive il protocollo sperimentale di rilascio in vitro. Le aliquote vengono rimosse dai tubi capillari carichi di idrogel PNP nel tempo. b Ilrilascio in vitro di BSA da 1:10 PNP, 2:5 PNP e 2:10 PNP ha indicato come la massa raccolta dal punto di tempo specificato diviso per la massa totale raccolta durante il saggio (dati indicati come media ± SD; n = 3). La BSA è stata rilevata attraverso misurazioni di assorbanza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Stabilità termica dell'insulina incapsulata negli idrogel PNP dal saggio ThT. Le formulazioni sono denotati come wt polimerico.%: NP wt.%. L'insulina incapsulata sia in idrogel PNP 1:5 che 2:10 è rimasta non disaggregata per oltre 28 giorni in condizioni di invecchiamento stressato di 37 °C e agitazione costante. Il tempo di aggregazione per l'insulina formulato in PBS era di 20 ± 4 ore (media ± SD, soglia di aggregazione 750.000 AFU). Dati presentati come media di n = 4 repliche sperimentali (AFU, unità di fluorescenza arbitrarie). Questa cifra è stata adattata da Meis etal.

Figura 5: Vitalità cellulare e sedimentazione cellulare negli idrogel PNP. (a,b) Studi di vitalità cellulare in idrogel PNP con cellule staminali mesenchimali umane (hSPC). (a) Immagini rappresentative di hSPC vitali in idrogel PNP 1:5 con e senza il motivo dell'acido acido argoinina-glicina-aspartico (RGD) adesivo coniugato con i PNP PEG-PLA. La barra di scala rappresenta 100 μm. (b) Vitalità cellulare il giorno 6 definita come numero di celle fluorescenti nell'immagine rispetto al numero di celle fluorescenti il primo giorno (dati mostrati come ± SD medio; n = 3). (c,d) Esperimenti di incapsulamento e sedimentazione delle celle con hMSC. (c) Immagini di intensità massima degli HMSC macchiati di calceina AM incapsulati in idrogel PNP 1:1 (riga superiore) e idrogel PNP 1:5 (riga inferiore) su 4 ore per quantificare la sedimentazione cellulare. La barra di scala rappresenta 1 mm. (d) Intensità media orizzontale dei pixel degli HMSC lungo il profilo verticale dell'idrogel. Questa cifra è stata adattata da Grosskopf etal.