Hydrogelators supramoléculaires basés sur uréido-pyrimidinones permettent un contrôle complet sur les propriétés macroscopiques de gel et le comportement de commutation sol-gel en utilisant pH. Ici, nous présentons un protocole de formulation et d'injection d'un tel hydrogelator supramoléculaire via un système de délivrance par cathéter pour la livraison locale directement dans des domaines pertinents dans le cœur de porc.
Régénération de la perte de myocarde est un objectif important pour les thérapies futures en raison de la présence croissante de l'insuffisance cardiaque ischémique chronique et l'accès limité à un coeur de donneur. Un exemple d'un traitement pour récupérer la fonction du cœur est constitué de la délivrance locale de médicaments et de produits bioactifs à partir d'un hydrogel. Dans cet article, une méthode est introduit à formuler et à injecter un hydrogel chargé de médicament non invasive et dans le cœur de porc en utilisant un long cathéter flexible, précise-côté. L'utilisation de 3-D et la cartographie électromécanique injection par l'intermédiaire d'un cathéter permet le traitement spécifique du côté du myocarde. Pour fournir un hydrogel compatible avec ce cathéter, un hydrogel supramoléculaire est utilisé en raison de la commutation à partir d'un gel convenable pour l'état de solution en utilisant des déclencheurs environnementaux. Poly A ce pH basique uréido-pyrimidinone modifié (éthylène glycol) agit comme un fluide newtonien qui peut être facilement injecté, mais à un pH physiologique de la solution passe rapidement enun gel. Ces conditions douces permettent de commutation pour l'incorporation de médicaments bioactifs et des espèces bioactives, telles que des facteurs de croissance et des exosomes, nous présentons ici comme à la fois in vitro et in vivo. Les expériences in vitro donnent un sur indication de coup droit de la stabilité du gel et la libération du médicament, ce qui permet un réglage du gel et des propriétés de libération avant l'application ultérieure in vivo. Cet agencement permet la mise au point optimale du gel sur les composés bioactifs utilisés et espèces, et le système d'injection.
Bien que le traitement de l'infarctus aigu du myocarde a considérablement amélioré le taux de survie, l'insuffisance cardiaque ischémique chronique est un problème majeur de santé publique qui progresse avec une population vieillissante. Il ya environ 6 millions de patients souffrant d'insuffisance cardiaque aux États-Unis avec une augmentation estimée à 25% de la prévalence en 2030 1,2. Perte initiale de tissu myocardique conduit à un remodelage cardiaque et provoque l'insuffisance cardiaque chronique finalement. Sauf pour la transplantation cardiaque, il n'y a pas vraiment de traitement pour ce groupe de patients. La lacune croissante des coeurs donateurs souligne la nécessité de développer de nouvelles thérapies disponibles pour inverser ce processus de remodelage. Par conséquent, un objectif pour de futures thérapies est la régénération du myocarde perdu.
Les hydrogels sont des matériaux intéressants dans le domaine de la médecine régénérative en raison de leur biocompatibilité et de leur sensibilité à trois déclencheurs externes. Hydrogels injectables offrent annoncetages plus hydrogels non injectables dans leur utilisation dans la chirurgie invasive minimale 4. Ces hydrogels injectables peuvent être appliqués à travers une seringue en raison de leur capacité de commutation dans des conditions physiologiques 5, et permettent, en principe, pour l'injection des approches à base de cathéter 6. Différentes stratégies ont été utilisées pour des matériaux injectables, allant de réticulation chimique après injection de reticulation physique par navigateur température, le pH et le comportement rhéofluidifiant 4,7,8. Bien que plusieurs systèmes ont montré injectabilité facile via une seringue 9,10, le cathéter-compatibilité complète n'a pas été souvent montré 6.
Hydrogels préparés à partir de polymères supramoléculaires sont formés par des interactions non-covalentes qui peuvent être activés facilement à partir d'un gel à un état de solution, et vice-versa en utilisant des déclencheurs de l'environnement 11. En outre, les précurseurs de faible poids moléculaire permettent de processabilité facile 12,13 </sup>. Les conditions requises pour la commutation douce permet l'addition de divers composants actifs biologiques tels que souvent difficile de traiter les facteurs de croissance.
Réseaux transitoires supramoléculaires dans l'eau à base de poly (éthylène glycol) (PEG), fin modifiés avec uréido-pyrimidinone (UPY) fractions 14 ont montré les avantages des interactions non-covalentes en combinaison avec des applications biomédicales et ont été utilisés en tant que système de délivrance de médicaments dans le coeur 6 et sous la capsule rénale 15. Ces réseaux sont formés par dimérisation des groupes UPY l'abri de l'environnement aqueux par des entretoises d'alkyle formant une poche hydrophobe. Collage urée d'hydrogène facilite empilage ultérieur de ces dimères en nanofibres. En raison de l'interaction réversible du dimère UPY-UPY, déclenche telles que le pH et la température peuvent être utilisés pour commuter à partir de solutions à des gels. L'utilisation d'un motif synthétique permet une conception des propriétés moléculaires et gel pour examen parple longueur de syntonisation des chaînes de PEG et espaceurs alkyle 14,16.
Par ailleurs, plusieurs composés bioactifs peuvent être incorporés en mélangeant simplement la solution de hydrogelator supramoléculaire avant injection, avec des médicaments ou des espèces bioactives, telles que des facteurs de croissance ou des exosomes, respectivement. Les exosomes sont de petites vésicules membranaires contenant des dérivés cytosoliques. Elles sont sécrétées par de nombreuses cellules et sont impliqués dans la communication intercellulaire. Les exosomes dérivés de cellules progénitrices cardiomyocytes sont proposés pour jouer un rôle dans la protection cardiaque 17.
Ici, nous décrivons le protocole de la formulation et de l'injection du myocarde vivo d'un tel hydrogel supramoléculaire bioactif. Des expériences in vitro sont décrits qui donnent sur coup droit une indication de la stabilité de gel et de la libération du médicament, ce qui permet un réglage du gel et libérer propriétés avant application in vivo.
Un défi majeur est d'obtenir une solution qui est injectable à travers un long cathéter tout en gardant la solution compatible avec les composés bioactifs. Bien que le pH doit être augmenté pour augmenter injectabilité, composés bioactifs tels que les facteurs de croissance sont des molécules fragiles qui doivent être manipulés avec précaution. Nous surveillons le pH de la solution à l'aide de près d'un mètre de pH après l'ajout du hydrogelator pour confirmer qu'il est un pH de 9,0 avant d'ajouter des composants bioactifs. Dans un premier temps, plusieurs cycles de l'ajustement du pH de départ de la PBS ont été nécessaires pour mettre fin au droit pH. En outre, parce que nous utilisons des solutions relativement visqueux et un cathéter long et mince, une grande chute de pression est présente (de l'ordre de 0,5 MPa, en fonction de la vitesse d'injection). Par conséquent, une attention particulière doit être portée au choix des bonnes connexions entre la seringue et le cathéter. Une injection supports de pompe de la seringue contrôlée, que l'application de ces forces à la main est un défi. Pour en vitro les expériences, la solution a été gélifié par neutralisation de la solution avec HCl, tandis que in vivo cela est fait par le pH naturel du tissu. Par conséquent, il est important d'ajouter la bonne quantité de HCl à empêcher un dépassement du pH. La diffusion de cet acide est probablement le facteur limitant dans la gélification de l'hydrogel dans des expériences in vitro; Cependant, in vivo le liquide aurait une grande surface de contact avec le tissu de neutralisation, ce qui entraînera probablement un rapide et plus uniforme par rapport à la gélification addition goutte à goutte d'acide concentré. En outre, la commutation de gel est beaucoup plus rapide avec cette procédure légère par rapport aux méthodes précédemment utilisées (vs 0,5 h 2 h 25). Utilisation de pH naturel de l'organisme pour la commutation des propriétés des matériaux est très attrayante car la transition est rapide, réversible, ne peut pas se produire à l'intérieur du cathéter et in vivo est entièrement automatique. Ces propriétés donnent des avantages par rapport par exemple swit thermiquechable gélifie 26, où le risque de gélification dans un cathéter en raison de changements de température est présent, gels qui nécessitent une polymérisation photo-induite, ce qui est difficile en raison de la pénétration limitée de la lumière et de la formation de radicaux 27, ou des gels qui nécessitent une co-injection d'un initiateur de polymérisation ou accélératrice 28.
Le succès libération d'un médicament à partir de l'hydrogel dépend largement de la taille de la drogue. Comme représenté, la petite molécule de médicament est libérée immédiatement, tandis que la libération progressive de la protéine de modèle plus d'1 semaine montre la promesse de ces hydrogels en tant que systèmes de distribution pour les facteurs de croissance. En général, les hydrogels sont plus prometteurs comme outil de distribution pour de plus grands objets tels que des protéines, des exosomes et des cellules 29,30.
La 3-D électromécanique cartographie et l'injection procédure prévoit une approche de prestation en fonction de cathéter validé cliniquement pour diverses thérapies régénératives du myocarde, tels que des hydrogels. Le Added valeur de cette technologie par rapport à d'autres techniques de livraison non-chirurgicale est la planification du traitement, ce qui permet de différencier myocarde normal, atteint d'un infarctus et d'hibernation et de guider les thérapies dans la zone d'intérêt. Inconvénients de cette approche concernent les compétences techniques nécessaires et le temps procédure longue et coûteuse 20. Dans le modèle porcin présenté un infarctus du myocarde cartographie électromécanique a été suivie par des injections intramyocardiques guidées avec le supramoléculaire UPY-hydrogel bioactif. D'autres combinaisons avec les thérapies régénératives doivent être testés in vitro et in vivo pour obtenir plus de succès dans ce domaine émergent. En outre, l'optimisation des procédures d'injectabilité et de stérilisation doivent être effectuées pour traduire cette méthode avec succès à un contexte clinique.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été financé par le Ministère de (programme de Gravity 024.001.035) Education, de la Culture et de la Science, de l'Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO), le Conseil européen de la recherche (FP7 / 2007-2013) de l'Accord de subvention du CER 308045 et menée dans le cadre LSH TKI. Cette forme de recherche le cadre du projet P1.03 PENT du programme de l'Institut des matériaux de recherche biomédicale, co-financé par le ministère néerlandais des affaires économiques. Ce projet a été soutenu par ICIN – Institut néerlandais de coeur ( de www.icin.nl ) et le "Wijnand M. Pom Stichting". Les auteurs tiennent à remercier Henk Janssen et Joris Peters pour la synthèse de l'UPY-hydrogelator et Remco Arts pour fournir le mRuby2. Nous remercions Bert Meijer, Tonny Bosman, Roxanne Kieltyka, Stijn Kramer, Joost Sluijter, Imo Hoefer, et Frebus van Slochteren pour les nombreuses discussions utiles et Marlijn Jansen, Joyce Visser, Grace Croft et Martijn van Nieuwburg pour teassistance chnique.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
1M HCl | |||
1M NaOH | |||
Polystyrene 24-wells plate | Falcon | 353047 | |
Amiodarone | Cordaron I.V. (Sanofini) | ||
Anton Paar Physica MCR501 | Anton Paar GmbH | Equipped with a parallel-plate geometry (25 mm) | |
Atropine | PCH | ||
Balloon ventilator | |||
Cary 50 Scan UV-Visible Spectrophotometer | Varian | ||
Cary Eclipse Fluorescence Spectrophotometer | Varian | ||
Defibrillation patches | |||
DMSO | Biosolve | 44705 | |
Endotracheal tube | Covidien | ||
Heparin | |||
Ketamine | Narketan 10 Vétoquinol | ||
Mapping catheter 115cm | Biosense Webster | ||
Midazolam | Actavis | ||
MilliQ | MD Milipore MilliQ Integral Water Purification System | ||
mRuby2 | |||
NaCl 0.9% 500cc | Braun | ||
NOGA guided Myostar injection catheter | Biosense Webster | ||
NOGA-RefStar EFO-patch | Biosense Webster | ||
Pancuronium bromide | |||
Parafilm | VWR | IKAA3801100 | |
PBS | Sigma Aldrich | P4417 | |
PET millicel | Millipore | PIEP12R48 | |
Pirfenidone | Sigma Aldrich | P2116 | Used from 100mM stock in DMSO |
Sodiumthiopental | Inresa | ||
Sufentanil | Sufentanil-Hameln | ||
Tegaderm | |||
UPy-PEG10k | |||
UV-Lamp | |||
Vet ointment | |||
Visipaque contrastfluid 100cc |