ウレイドピリミジノンに基づく超分子hydrogelatorsは巨視的なゲル特性およびpHを使用したゾル – ゲル切り替え動作を完全に制御することができます。ここでは、ブタの心臓における関連分野での直接局所送達のためのカテーテル送達システムを介して、このような超分子ヒドロゲル化を策定し、及び注入するためのプロトコルを提示します。
失われた心筋の再生があるため、慢性虚血性心不全の増加が発生し、ドナーの心臓へのアクセスが制限され、将来の治療のための重要な目標です。心臓の機能を回復する治療法の例は、ヒドロゲルからの薬物および生物活性物質の局所送達で構成されています。本論文では、この方法は、策定し、非侵襲的かつ側固有の長い、柔軟なカテーテルを用いて豚の心臓への薬剤を装填したヒドロゲルを注入するために導入されます。カテーテルを介した3次元電気機械的マッピングおよび注射の使用は、心筋の側に固有の処理を行えるようにします。このカテーテルと互換性のヒドロゲルを提供するために、超分子ヒドロゲルがあるため、環境トリガーを使用して溶液状態のゲルからの便利な切り替えが使用されます。塩基性pHでは、このウレイド – ピリミジノン変性ポリ(エチレングリコール)を容易に注入することができるニュートン流体として作用するが、生理的pHで溶液を迅速に切り替えますゲル。我々は、in vitroおよびin vivo実験の両方に存在するように、ここで、これらの穏やかなスイッチング条件は、成長因子およびエキソソームなどの生物活性薬と生物活性種の取込みを可能にします。 インビトロ実験は、ゲルのチューニングを可能にし、 生体内でのその後の適用の前に特性を解放ゲル安定性および薬物放出のフォアハンド指示、に与える。この組み合わせを使用し、生物活性化合物をゲルの最適なチューニングを可能にし種、及び注入システム。
急性心筋梗塞の治療を大幅に生存率を改善しているが、慢性虚血性心不全の高齢化と共に進行する主要な公衆衛生問題です。 2030 1,2における有病率の推定25%の増加と米国で約600万心不全患者があります。心筋組織の初期の喪失は、心臓リモデリングをもたらし、最終的に慢性心不全を引き起こします。心臓移植を除き、この群の患者には本当の治療法はありません。ドナー心臓の増加欠点は、リモデリングのこのプロセスを逆に利用可能な新しい治療法を開発する必要性を強調しています。したがって、今後の治療の目標は、失われた心筋の再生です。
ヒドロゲルは、それらの生体適合性の再生医療の分野において興味深い材料であり、外部トリガ3に対する感受性。注射用ヒドロゲルは、広告を提供しています最小侵襲手術4におけるそれらの使用における非注射用ヒドロゲルオーバーvantages。これらの注射可能なヒドロゲルは、生理学的条件5内に、それらのswitchabilityをシリンジを介して印加される、カテーテルベースの注入が6に近づくために、原則的に可能にすることができます。異なる戦略は、温度、pHおよび剪断減粘挙動4,7,8のいずれかによって、注射後、化学的架橋から物理的架橋に至るまで、注射可能物質のために使用されています。いくつかのシステムでは、注射器9,10を介して容易に注射を示しているが、完全な互換性カテーテルは、多くの場合、6示されていません。
超分子ポリマーから調製されたヒドロゲルは、環境的トリガー11を用いて、非共有結合性溶液状態にゲルから簡便に切り替えることができる相互作用、およびその逆によって形成されます。さらに、低分子量の前駆体は、簡単な加工の12,13を可能にします</sup>。そのような成長因子を処理することはしばしば困難などの様々な生物学的活性成分の添加を可能に切り替えるために必要な穏やかな条件。
ポリ(エチレングリコール)(PEG)に基づく水中で超分子一過性のネットワークは、ウレイド-ピリミジノン(UPy)で末端が変性14部分の生物医学的用途と組み合わせて、非共有結合性相互作用の利点を示しており、薬物送達システムとして使用されています心臓6および腎被膜15の下。これらのネットワークは、疎水性ポケットを形成するアルキルスペーサーによって水性環境から保護UPy基の二量化により形成されます。尿素の水素結合は、ナノファイバーへのこれらの二量体の後続の積み重ねを容易にします。 pH及び温度は、ゲルに溶液から切り替えるために使用することができるため、UPy UPyダイマーの可逆的相互作用、例えば、トリガー。合成モチーフの使用は、試験のことで、分子の設計およびゲル特性を可能にしますPEG鎖アルキルスペーサー14,16のPLEチューニング長。
さらに、いくつかの生物活性成分は、それぞれ、例えば、成長因子またはエキソソームとして、薬物または生物活性種と、単に注入前に、超分子ヒドロゲル化溶液を混合することによって組み込むことができます。エキソソームは、細胞質ゾルの誘導体が含まれている小さな膜小胞です。それらは、多くの細胞によって分泌され、細胞間コミュニケーションに関与しています。心筋前駆細胞に由来するエキソソームは、心臓保護17において役割を果たすことが示唆されています。
ここでは、製剤のプロトコルを記述し、そのような生物活性超分子ヒドロゲルの生体内心筋注射で。in vitro実験は、ゲルのチューニングを可能にするゲル安定性および薬物放出のフォアハンド表示、に与え、前にプロパティをリリースに記載されていますin vivoでのアプリケーション。
重要な課題は、生物活性化合物と適合性の溶液を維持しながら、長いカテーテルを通して注射可能である溶液を得ることです。 pHが注入を増加するために増加されるべきであるが、成長因子などの生物活性化合物を慎重に扱うべき脆弱な分子です。我々は密接にそれが任意の生物活性成分を添加する前に、pHが9.0であることを確認するためにヒドロゲル化剤を加えた後、pHメーターを用いて溶液のpHを監視します。最初に、PBSの出発pHを調整するいくつかのラウンドは、右のpHで終了する必要がありました。我々は比較的粘性の溶液と長い細いカテーテルを使用しているためまた、大きな圧力降下が(注射の速度に応じて、0.5 MPaでの順序で)存在しています。そのため、特別なケアは、注射器とカテーテルとの間の正しい接続を選択する際に注意すべきです。手でこのような力を適用することが困難であるとして、シリンジポンプは、制御された注入をサポートしています。ためでvitrインビボでは、この組織の自然のpHによって行われ、一方O実験は、溶液は、塩酸で溶液を中和してゲル化しました。したがって、pHのオーバーシュートを防止するために、塩酸の適切な量を追加することが重要です。この酸の拡散は、おそらくin vitroの実験ではハイドロゲルのゲル化の制限要因です。しかし、in vivoでの液体は、組織、より速く、より均一にゲル化濃酸を滴下することに比べてであろう可能性が最も高い結果を中和して高い接触表面積を有することになります。また、ゲルの切り替えがはるかに速く、以前に使用された方法(2時間対0.5時間)25と比較して、この穏やかな手順です。材料特性の切り替えのための身体の自然のpHを使用すると、移行が迅速なであることから、可逆的、非常に魅力的であるカテーテル内部で発生することができず、 生体内で完全に自動化されています。これらの特性は、 例えば 、熱SWITに勝る利点を与えますchable温度変化によるカテーテルにおけるゲル化の危険性が存在するゲル26、により制限された光の透過及びラジカル形成27に困難である光誘起重合を必要とゲルまたは重合開始剤の同時注入を必要としたゲルまたはaccellerator 28。
ヒドロゲルからの薬物の放出に成功は、主に、薬物の大きさに依存します。示されるように1週間以上モデルタンパク質の緩やかな放出は、成長因子の送達系としてのこれらのヒドロゲルの約束を示しているが、小分子薬物が直ちに放出されます。一般に、ヒドロゲルは、タンパク質、エキソソームおよび細胞29,30のような大きなオブジェクトの送達ツールとしてより有望です。
3次元電気機械的マッピングおよび注射の手順は、ヒドロゲルなどの様々な心筋再生治療のための臨床的に検証されたカテーテルベースの送達方法を提供します。 ADDE他の非外科的送達技術と比較して、この技術のd値は、それが可能な、通常の梗塞と冬眠心筋を区別するために、目的の領域に治療を案内すること、治療計画です。このアプローチの問題の欠点に必要な技術的なスキルと時間と費用のかかる手順20。心筋梗塞電気機械マッピングの提示ブタモデルでは、生物活性超分子UPyヒドロゲルと導か心筋内注射が続きました。再生治療と他の組み合わせは、 インビトロおよびこの新興分野でより多くの成功を得るためにインビボで試験されなければなりません。また、注入および滅菌手順の最適化に成功し、臨床現場にこの方法を翻訳するために実行する必要があります。
The authors have nothing to disclose.
この作品は、教育、文化科学(重力プログラム024.001.035)省によって資金を供給された、科学研究費オランダ機構(NWO)、欧州研究会議(FP7 / 2007年から2013年)ERC助成協定308045および内で行いますLSH TKIフレームワーク。生体材料研究所の研究プログラム、経済のオランダ省が共同出資のプロジェクトP1.03 PENTの本研究の一部を形成します。オランダ心臓研究所( -このプロジェクトは、ICINによってサポートされていましたwww.icin.nl )と「Wijnand M.ポムスティヒティング」。著者はmRuby2を提供するためのUPy-ヒドロゲル化とレムコ芸術の合成のためのヘンク·ヤンセンとヨリス·ピーターズに感謝したいと思います。私たちは、TEにバート·マイヤー、トニーボスマン、ロクサーヌKieltyka、Stijnクレイマー、JoostのSluijter、芋ホーファー、および多くの有用な議論のためのFrebusバンSlochterenとMarlijnヤンセン、ジョイスフィッセル、グレース·クロフトとマルタインバンNieuwburgに感謝しますchnical支援。
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 |