基于脲基嘧啶酮的水凝胶超分子允许完全控制宏观凝胶特性和使用pH值溶胶 – 凝胶开关行为。在这里,我们提出了一个协议,通过直接局部递送相关领域中的猪心脏的导管输送系统制定和注射这种超分子水凝胶。
丢失心肌的再生是由于慢性缺血性心脏衰竭的增加发生和有限访问供心的未来治疗的重要目标。治疗以恢复心脏的功能的例子包括由水凝胶局部递送药物和生物活性物质的。本文提出了一种方法引入到制定和注入载药凝胶非侵入性和侧面特有的进猪心脏使用长,灵活的导管。经由导管使用的3-D机电映射和注入允许心肌侧特异性治疗。以提供与该导管兼容的水凝胶,超分子水凝胶的使用,因为从凝胶到使用环境触发器溶液状态的方便的切换。在碱性pH本脲嘧啶酮改性的聚(乙二醇)作为牛顿流体可以容易地注入,但在生理pH的溶液迅速切换到凝胶。这些温和开关条件允许的生物活性的药物和生物活性物质,如生长因子和外来体中掺入作为我们在座中在体外和体内实验。 在体外实验上的凝胶稳定性和药物释放的正手击球指示,其允许凝胶的调谐和体内的后续申请之前释放性能得到。这种组合允许对凝胶所使用的生物活性化合物的最佳调谐和种,并且所述喷射系统。
虽然急性心肌梗死的治疗有显著提高生存率,慢性缺血性心脏衰竭是人口老龄化的推进一个重大的公共卫生问题。大约有600万心脏衰竭患者在美国,估计增加25%患病率在2030年1,2。心肌组织的初步损失导致心肌重构,最终导致慢性心脏衰竭。除了心脏移植,对于本组患者没有真正的治疗。捐助者的心越来越缺点强调有必要制定新的可用疗法逆转重塑的过程。因此,对于未来治疗的一个目标是失去心肌的再生。
水凝胶是令人感兴趣的材料,因为它们的生物相容性的再生医学的领域中,以及它们与外部触发器3的灵敏度。注射水凝胶提供广告vantages超过其在微创外科手术4采用非注射水凝胶。这些可注射的水凝胶可以通过注射,因为在生理条件5内其switchability的应用,并且在原则上允许基于导管的注射方法6。不同的策略已被用于可注射的材料,从化学交联注射到物理交联由任一温度,pH和剪切变稀行为4,7,8后。虽然几个系统已通过注射器9,10显示易于注射,全导管兼容性尚未经常6中。
从超分子聚合物制备的水凝胶通过使用环境触发器11的非共价相互作用,可以方便地切换从凝胶到溶液状态,反之亦然形成。此外,低分子量的前体允许容易加工12,13 </sup>。需要用于切换允许添加的各种生物活性组分,例如常常难于处理的生长因子的温和的条件。
基于聚(乙二醇)(PEG)在水中的超分子瞬时网络,端改性的脲基嘧啶酮(UPy)部分14已经与生物医学应用的组合所示的非共价相互作用的好处,并已被用作药物递送系统在心脏6和下肾包膜15。这些网络由UPy基团被烷基隔板形成疏水口袋从含水环境屏蔽的二聚化形成的。尿素氢键有利于后续的堆叠这些二聚体成纳米纤维。由于UPy-UPy二聚体的可逆相互作用,触发如pH和温度可以用来从溶液中切换到凝胶。使用合成的基序允许分子和凝胶特性由用于考试设计PLE调节长度的PEG链和烷基间隔14,16。
此外,一些生物活性组分可通过简单地混合注射前的超分子水凝胶溶液,用药物或生物活性物质,如分别生长因子或外来体,被并入。外来体是包含胞质衍生物小膜囊泡。它们是由许多细胞分泌,并参与细胞间通讯。从心肌祖细胞衍生的外来体被建议在心脏保护17发挥作用。
这里,我们描述制剂的协议,并在体内心肌注射这样的生物活性的超分子水凝胶的, 在体外实验中,描述了提供关于正手的指示的凝胶稳定性和药物释放,其允许凝胶的调谐和之前释放性能体内应用。
一个关键的挑战是获得一种溶液,其为可注射的,通过一个长导管,同时保持溶液与生物活性化合物相容。虽然pH值应该增加,以增加注入性,生物活性化合物,如生长因子,应小心处理易碎分子。我们监测该溶液的pH值密切使用pH计加入的水凝胶,以确认它是pH值为9.0添加任何生物活性成分之前后。最初,要结束与右pH值必须经过几轮调整PBS的起始pH值。此外,因为我们使用相对粘性溶液和一个细长的导管,一个大的压降的情况下(在0.5MPa的顺序,这取决于注入的速度)。因此,特别应注意在选择注射器和导管之间的正确连接。注射泵支架控喷射,通过手工应用这种力量是具有挑战性的。 对于VITRÓ实验,将该溶液中和,用HCl将溶液凝胶化,而在体内这是通过组织的自然pH值进行。因此,要添加的HCl适量,以防止pH值的过冲是重要的。这种酸的扩散可能是在水凝胶的体外实验的凝胶化的限制因素;然而, 在体内的液体将与中和组织中的高接触表面积,这很可能会导致更快和更均匀的凝胶相比滴加浓酸。此外,该凝胶开关与此温和过程快得多相比以前使用的方法(0.5小时对2小时)25。使用身体的自然pH值的材料性质的切换是非常有吸引力的,因为转换是迅速的,可逆的,不能发生在导管内并且是在体内全自动的。这些特性赋予优势如热SWITChâble的胶凝26,其中凝胶化在一个导管的由于温度变化的风险是存在,需要光诱导聚合,这是具有挑战性,因为有限的光穿透和自由基的形成27,或需要共同注射的聚合引发剂的凝胶的凝胶或accellerator 28。
成功释放从水凝胶的药物主要是依赖于药物的大小。如图所示,小分子药物立即释放,而超过1周模型蛋白的逐渐释放显示了这些水凝胶作为递送系统的生长因子的承诺。在一般情况下,水凝胶是作为输送工具,用于较大物体如蛋白质,外来体和细胞29,30更有前途。
三维机电映射和注射过程提供了关于各种心肌再生疗法,例如水凝胶临床验证的基于导管的递送方法。该ADDE这种技术相对于其它非手术递送技术的d值是治疗计划,使得能够区分正常,梗塞和冬眠心肌,并指导治疗中感兴趣的区域。这种方法关注所需的技术技能和耗时且昂贵的过程20的缺点。在心肌梗塞机电映射的呈现猪模型随后引导的心肌内注射与生物活性超分子UPy-水凝胶。其他组合具有再生疗法在体外试验和体内获得这一新兴领域取得更大的成功。此外,可注射和灭菌程序优化已被执行以成功地把这种方法以临床环境。
The authors have nothing to disclose.
这一工作是由教育,文化和科学(重力计划024.001.035)部,荷兰科学研究组织(NWO),欧洲研究委员会(FP7 / 2007-2013)ERC资助协议和308045的范围内进行LSH TKI框架。这项研究的形式生物医学材料研究所的研究计划的项目P1.03 PENT的一部分,共同资助下,经济事务部荷兰。荷兰心脏学会( -该项目由ICIN支持www.icin.nl )和“Wijnand M.双响炮斯蒂廷”。作者想感谢亨克扬森和里斯彼得斯的UPy,水凝胶和REMCO艺术合成提供了mRuby2。我们感谢伯特·梅杰,东铭博斯曼,罗克珊Kieltyka,斯泰恩克莱默,Joost的Sluijter,伊莫Hoefer说,和Frebus面包车斯洛赫特伦了许多有益的讨论和Marlijn扬森,乔伊斯维瑟,格雷斯克罗夫特和面包车的Martijn为Nieuwburg TE技术注释援助。
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 |