Hydrogelators supramolecolari basati su ureido-pyrimidinones consentono il pieno controllo delle proprietà macroscopiche di gel e il comportamento di commutazione sol-gel con pH. Qui, vi presentiamo un protocollo per la formulazione e l'iniezione di un hydrogelator tale supramolecolare tramite un sistema di posizionamento del catetere per la consegna locale direttamente in aree rilevanti nel cuore di maiale.
La rigenerazione del miocardio perso è un obiettivo importante per le future terapie a causa della crescente incidenza di insufficienza cardiaca ischemica cronica e l'accesso limitato ai cuori dei donatori. Un esempio di un trattamento per recuperare la funzione del cuore consiste nella fornitura locale di farmaci e bioattivi da un idrogel. In questo documento viene introdotto un metodo per formulare e iniettare un idrogel farmaco caricato in modo non invasivo e nel cuore di maiale con un lungo catetere flessibile specifico lato. L'utilizzo di 3-D mapping elettromeccanico e iniezione attraverso un catetere consente trattamento specifico lato del miocardio. Per fornire un idrogel compatibili con questo catetere, un idrogel supramolecolare viene utilizzato a causa della commutazione conveniente da un gel a uno stato soluzione utilizzando fattori ambientali. Poly a pH basico questo ureido-pyrimidinone modificato (glicole etilenico) agisce come un fluido Newtoniano facilmente iniettato, ma a pH fisiologico la soluzione passa rapidamente inun gel. Queste condizioni blande commutazione consentono l'incorporazione di farmaci bioattivi e specie bioattivi, come i fattori di crescita e exosomes mentre presentiamo qui sia in vitro ed in vivo. Gli esperimenti in vitro fornirà un'indicazione sul dritto della stabilità gel e rilascio del farmaco, che consente una regolazione del gel e rilasciare proprietà prima della successiva applicazione in vivo. Questa combinazione consente la sintonizzazione ottimale del gel ai composti bioattivi utilizzati e specie, e il sistema di iniezione.
Anche se il trattamento dell'infarto miocardico acuto ha migliorato in modo significativo i tassi di sopravvivenza, l'insufficienza cardiaca ischemica cronica è un grave problema di salute pubblica che progredisce con l'invecchiamento della popolazione. Ci sono circa 6 milioni di pazienti con insufficienza cardiaca negli Stati Uniti con una stima di aumento del 25% della prevalenza nel 2030 1,2. Perdita iniziale del tessuto miocardico porta a rimodellamento cardiaco e, infine, provoca insufficienza cardiaca cronica. Fatta eccezione per il trapianto di cuore, non vi è alcuna reale trattamento per questo gruppo di pazienti. Il difetto maggiore di cuori donatori sottolinea la necessità di sviluppare nuove terapie disponibili per invertire questo processo di rimodellamento. Pertanto, un obiettivo per future terapie è la rigenerazione di perdita miocardio.
Gli idrogel sono materiali interessanti nel campo della medicina rigenerativa a causa della loro biocompatibilità, e la loro sensibilità ai trigger esterni 3. Idrogeli iniettabili offrono annunciovantaggi oltre idrogel non iniettabili nel loro uso in chirurgia mini-invasiva 4. Questi idrogel iniettabili possono essere applicati attraverso una siringa a causa della loro commutabilità entro condizioni fisiologiche 5, e in linea di consentire l'iniezione tramite catetere approcci 6. Diverse strategie sono state utilizzate per i materiali iniettabili, che vanno dalla reticolazione chimica dopo l'iniezione di reticolazione fisica da una temperatura, pH e shear-assottigliamento comportamento 4,7,8. Anche se diversi sistemi hanno dimostrato facile iniettabilità tramite una siringa 9,10, pieno catetere-compatibilità non è stata dimostrata spesso 6.
Idrogel preparati da polimeri supramolecolari sono formati da interazioni non-covalenti che possono essere accesi convenientemente da un gel a uno stato soluzione, e viceversa utilizzando inneschi ambientale 11. Inoltre, i precursori basso peso molecolare consentono una facile lavorabilità 12,13 </sup>. Le condizioni blande richieste per la commutazione permettono l'aggiunta di vari componenti attivi biologici quali spesso difficile da gestire fattori di crescita.
Reti transitori supramolecolari in acqua a base di poli (glicole etilenico) (PEG), end-modificati con ureido-pyrimidinone (UpY) porzioni 14 hanno mostrato i benefici di interazioni non covalenti in combinazione con applicazioni biomediche e sono stati utilizzati come sistema di rilascio di farmaci nel cuore 6 e sotto la capsula renale 15. Queste reti sono formate da dimerizzazione dei UpY gruppi schermati dall'ambiente acquoso mediante distanziatori alchilici formano una tasca idrofoba. Legame Urea idrogeno facilita la successiva sovrapposizione di questi dimeri in nanofibre. A causa dell'interazione reversibile del dimero UpY-UpY, trigger quali pH e la temperatura possono essere usati per commutare da soluzioni per gel. L'uso di un motivo sintetico consente per la progettazione delle proprietà molecola e gel, ad esameLunghezza sintonia ple dei PEG-catene e distanziali alchil 14,16.
Inoltre, diversi componenti bioattivi possono essere incorporati semplicemente miscelando la soluzione hydrogelator supramolecolare prima dell'iniezione, con farmaci o specie bioattivi, come i fattori di crescita o esosomi, rispettivamente. Esosomi sono piccole vescicole di membrana che contengono derivati citosoliche. Essi sono secreti dalle molte cellule e sono coinvolti nella comunicazione intercellulare. Esosomi derivati da cellule progenitrici cardiomiociti si suggerisce di svolgere un ruolo nella protezione cardiaca 17.
Qui, descriviamo il protocollo di formulazione, e in iniezione miocardica vivo di un idrogel supramolecolare tale bioattivo. Gli esperimenti in vitro sono descritti che danno sulla forehand un'indicazione di stabilità gel e rilascio del farmaco, che consente una regolazione del gel e rilasciare proprietà prima applicazione in vivo.
Una sfida fondamentale è quello di ottenere una soluzione che è iniettabile attraverso un lungo catetere mantenendo la soluzione compatibile con i composti bioattivi. Anche se il pH dovrebbe essere aumentata per aumentare iniettabilità, composti bioattivi, come i fattori di crescita sono molecole fragili che devono essere maneggiati con cura. Monitoriamo il pH della soluzione strettamente con un pHmetro dopo aver aggiunto il hydrogelator per confermare che è pH 9,0 prima di aggiungere componenti bioattivi. Inizialmente, vari cicli di regolazione del pH iniziale del PBS sono stati necessari per terminare con il pH giusto. Inoltre, perché usiamo soluzioni relativamente viscose e un catetere lungo e sottile, una grande caduta di pressione è presente (dell'ordine di 0,5 MPa, a seconda della velocità di iniezione). Pertanto, particolare attenzione dovrebbe essere presa nella scelta dei giusti collegamenti tra la siringa e il catetere. Una iniezione di supporti pompa siringa controllata, come l'applicazione di tali forze a mano è difficile. Per in vitro esperimenti, la soluzione è stata gelated neutralizzando la soluzione con HCl, mentre in vivo questo è fatto dal pH naturale del tessuto. Pertanto, è importante aggiungere la giusta quantità di HCl per impedire un superamento del pH. La diffusione di questo acido è probabilmente il fattore limitante nel gelificazione dell'idrogel in esperimenti in vitro; tuttavia, in vivo il liquido avrebbe una elevata superficie di contatto con il tessuto neutralizzanti, che molto probabilmente una più veloce e più uniforme rispetto a gelificazione aggiunta goccia a goccia di acido concentrato. Inoltre, la commutazione gel è molto più veloce con questa procedura lieve rispetto ai metodi utilizzati in precedenza (0,5 ore vs 2 hr) 25. Utilizzando pH naturale del corpo per la commutazione delle proprietà del materiale è molto interessante poiché la transizione è rapida, reversibile, non può verificarsi all'interno del catetere e in vivo è completamente automatico. Queste proprietà offrono vantaggi rispetto ad esempio swit termicochable gelifica 26, dove è presente il rischio di gelificazione in un catetere a causa di cambiamenti di temperatura, gel che richiedono fotoindotto polimerizzazione, che è difficile a causa della penetrazione limitata luce e la formazione di radicali 27, o gel che richiedono co-iniezione di un iniziatore di polimerizzazione o accelleratore 28.
Rilascio di successo di un farmaco dal idrogel dipende in gran parte dalla dimensione del farmaco. Come mostrato, la piccola molecola di farmaco viene rilasciato immediatamente, mentre il rilascio graduale del modello proteine oltre 1 settimana mostra la promessa di questi idrogel come sistemi di somministrazione di fattori di crescita. In generale, gli idrogel sono più promettenti come strumento di consegna per oggetti più grandi come proteine, exosomes e cellule 29,30.
Il elettromeccanico procedura di mappatura e di iniezione 3-D fornisce un approccio di consegna catetere a base di clinicamente validato per varie terapie rigenerative del miocardio, come l'idrogel. Il addevalore d di questa tecnologia rispetto ad altre tecniche di consegna non chirurgica è la pianificazione del trattamento, rendendo possibile differenziare miocardio normale, infartuato e ibernare e guidare terapie nella zona di interesse. Inconvenienti di questo approccio riguardano le competenze tecniche necessarie e il tempo e procedura costosa 20. Nel modello suino presentato di infarto miocardico mappatura elettromeccanico è stato seguito da iniezioni intramiocardici guidate con il bioattivo supramolecolare UpY-idrogel. Altre combinazioni con terapie rigenerative devono essere testati in vitro e in vivo per ottenere più successo in questo settore emergente. Inoltre, l'ottimizzazione delle procedure di iniettabilità e sterilizzazione devono essere eseguite a tradurre con successo questo metodo per un ambiente clinico.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato finanziato dal Ministero dell'Istruzione, della Cultura e della Scienza (programma Gravity 024.001.035), l'Organizzazione olandese per la ricerca scientifica (NWO), il Consiglio europeo della ricerca (FP7 / 2007-2013), dell'accordo di sovvenzione del CER 308045 e condotto all'interno della quadro LSH TKI. Questo fa parte della ricerca del Progetto P1.03 PENT del programma di ricerca del materiali biomedici dell'istituto, co-finanziato dal Ministero olandese degli Affari economici. Questo progetto è stato sostenuto da ICIN – Netherlands Heart Institute ( www.icin.nl ) e la "Wijnand M. Pom Stichting". Gli autori desiderano ringraziare Henk Janssen e Joris Peters per la sintesi del UpY-hydrogelator e Remco Arts per fornire il mRuby2. Ringraziamo Bert Meijer, Tonny Bosman, Roxanne Kieltyka, Stijn Kramer, Joost Sluijter, Imo Hoefer, e Frebus van Slochteren per le molte discussioni utili e Marlijn Jansen, Joyce Visser, Grazia Croft e Martijn van Nieuwburg per teassistenza stenza autorizzato.
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 |