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Module 1: Adsorbimento proteico

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Adsorbimento a Biomateriale

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Ciao a tutti. Benvenuti in un'altra lezione per la Drug Delivery Engineering and Principles. Quindi, facciamo solo un rapido recap di quello che abbiamo imparato nell'ultima classe.
(Riferimento Slide Time: 00.38)

Così, nell'ultima classe abbiamo parlato di varie proprietà delle particelle; avevamo parlato di dimensioni e di forma prima di questo e poi abbiamo continuato la discussione e abbiamo parlato ulteriormente di carica. Quindi, abbiamo detto che solitamente le particelle cariche positivamente sono migliori per l'assorbimento delle cellule, ma se vogliamo una circolazione più lunga e applicazioni in vivo, vogliamo particelle cariche neutre o leggermente negativamente.
E quali sono le ragioni di questo? Ovviamente, che la membrana cellulare stessa sia leggermente carica negativamente. Quindi, c'è un'interazione elettrostatica ed è per questo che si avvicinerà alle cellule perché la riassuma mentre, in circolazione si hanno diverse proteine del siero che sono anche cariche negativamente. Quindi, a causa di quella che queste proteine del siero si adagieranno sulle vostre particelle e non le lasceranno scorrere più a lungo perché potrebbero essere riconosciute da qualche altra cellula.

Poi abbiamo parlato di elasticità e in generale quello che abbiamo detto elasticità che basso modulo è buono per la circolazione a basso modulo. Abbiamo dato diversi esempi di come rendere queste minuscole particelle di modulazione in qualche modo la maggior parte di loro che cercano di imitare la RBC e poi il motivo per cui diciamo che questi bassi modulati è buono è perché la milza chiarirà eventuali particelle rigide se sono abbastanza grandi. Se sono sopra i 200, 250 nanometri poi la milza saranno in grado di chiarirli. Ma, se sono loro hanno un basso modulo che possono stringere attraverso quei vuoti di milza e i vasi e poi possono continuare a circolare più a lungo.
Poi abbiamo parlato di particelle di metallo. In questo caso abbiamo parlato sia di sintesi che di applicazioni. Quindi, le applicazioni che stiamo parlando soprattutto di imaging o agente di contrasto abbiamo parlato anche della terapia fototermica e poi si può addirittura coniugare la droga sulla superficie. Quindi, essenzialmente la consegna della droga può essere fatta anche e poi, infine, abbiamo parlato di un'altra sorta di sidetrack su come si possono usare le particelle sia l'escurazione delle particelle. Così, potete coniugarlo a quelli di RBC o potete coniugarlo ad altre cellule immunitari come le cellule T e le cellule B e a causa di ciò il corpo non potrà riconoscerli e possono circolare o raggiungere ovunque queste particolari cellule siano in crescita.
Così, questo tipo di conclude la nostra maggiore discussione di particelle per questo corso. Ci torneremo a ripartire in classi future e per diverse tipolazioni di applicazioni, ma questo era solo un concetto di base che volevo darvi sulle particelle. Ora, ci stiamo muovendo in ingegneria tissutale e impariamo come diversi aspetti di questi polimeri e questi farmaci possono essere utilizzati per una migliore erogazione di farmaci per una buona ingegneria tissutale e entrambe queste cose vanno a mano e a mano in - tutti i tessuti in applicazione richiedono una sorta di farmaco da dare per una migliore efficacia e una migliore conservazione del tessuto, una migliore guarigione del tessuto.
Quindi, parliamo di alcuni concetti di ingegneria tissutale, ma prima di farlo si parlerà di adsorbimento proteico che è di nuovo parte integrante dell'ingegneria tissutale. Quindi, ecco di cosa si tratterrà questa classe. Questo sarà per l'adsorbimento proteico.

(Riferimento Slide Time: 05.02)

Allora, prima di parlare di adsorbimento parliamo di cosa è la superficie e di cosa è un'interfaccia? Quindi, qualsiasi regione più esterna di un materiale così, se lasciatevi dire se ho questo materiale.
Quindi, qualsiasi materiale avrà una regione sfusa e una regione di superficie. Quindi, quando dico superficie, la superficie è una regione che va leggermente diversa dalla mole perché sarà esposta a un ambiente diverso rispetto alla mole - come se prendo un volume sfuso qui, tutti i lati di questo volume sfuso sono esposti ad uno stesso ambiente. Ma, come si avvicina sempre di più alla superficie, questo non è vero.
Ecco, ecco come si può distinguere tra una superficie e una mole che la regione più esterna del materiale sarà chimicamente o energeticamente diversa dal resto della mole solo perché è al limite. Quindi, l'interfaccia, questa potrebbe essere l'acqua fuori, questo potrebbe essere l'aria fuori o questo potrebbe essere qualche altro mezzo esterno ma, la superficie sarà leggermente diversa dalla mole.
Allora qual è l'adsorbimento? Quindi, l'adsorbimento non è nulla, ma viene definito formalmente come un partizionamento di una specie chimica tra una fase sfusa e un'interfaccia. Quindi, diciamo ora che ho questo solido e che diciamo qualche aria o qualche liquido qui. Allora, come fa questa aria o questo liquido o qualsiasi molecola in quell' aria o che le partizioni liquide tra l'aria e il solido a questa interfaccia?
Quindi, per la maggior parte degli scopi diciamo che stiamo parlando di uno strato molto sottile qui. Quindi, l'aria nella zona circostante sarà abbastanza uniforme. Il solido sotto la superficie sarà abbastanza uniforme, ma proprio all'interfaccia l'aria può piacere sedersi o attaccata all'interfaccia solida e che creerà una sorta di differenza nel gradiente dell'aria potrebbe essere più alta o sarebbe più bassa rispetto all'esterno, ma questo cambierà e così, questo adsorbimento fisico o questo partizionamento fisico di una specie chimica tra la sfusa e l'interfaccia è termato come adsorbente.
(Riferimento Slide Time: 07.23)

Quindi, non va confuso con gli assorbimenti ricordati l'unica differenza è questa una parola qui che hai d e qui l'assorbimento è b. Quindi, l'assorbimento è un fenomeno sfuso.
Quindi, quando dico adsorbimento che è superficie mentre, l'assorbimento è un fenomeno sfuso. E entrambi questi fenomeni sono effettivamente rilevanti per i biomateriali e entrambi saranno ampiamente utilizzati man mano che andiamo avanti e così, facciamo rapidamente un esempio.
Quindi, diciamo quando ho una rete di polimeri incroci a secco. Quindi, diciamo un idrogel per esempio; così, vi ho detto bene che c'è un idrogel che avrà una certa rete e dove si ha una tendenza molto alta ad assorbire l'acqua. Quindi, quello che essenzialmente significa è che l'acqua andrà in tutta questa rete e provocherà gonfiore di questa rete. Quindi, questo è assorbimento d'acqua.
Mentre, l'altro esempio sono le proteine che si adagieranno alla superficie biomateriale. Diciamo che se ho un materiale solido in cui l'acqua non può passare e l'acqua esterna ha proteine, le proteine tenderanno ad aggregarsi sulla superficie e arriveremo al motivo per cui lo fanno, ma questa è la proprietà di solo la superficie. Quindi, ecco perché si chiama adsorbimento.
(Riferimento Slide Time: 08.53)

Quindi, parliamo anche di un surfacante che sarà importante in questa discussione.
Quindi, i tensioattivi sono di solito composti che sono anfibio abbiamo praticamente parlato di surfattanti e abbiamo parlato di micelle; essenzialmente niente, ma hanno un gruppo di testa polare e una coda idrofobica.
Alcuni esempi comuni di tensioattivi sono detergenti e sapori e quello che sono sono essenzialmente code idrofobiche con gruppi di testa idrofilic come si vede anche qui e hanno una certa solubilità in un solvente acquoso, ma se si aumenta la quantità che è presente in, diciamo, acqua, alla fine cominceranno a precipitare e formare queste micelle. Ecco, ecco perché; ecco perché questi sapori e detergenti sono ottimi in termini di pulizia della sporcizia dai vestiti. Diciamo se avete un panno e che ci ha lasciato dire qualche sporcizia che lo sporco può essere sia idrofobico che idrofilo.
Quindi, se ci si avvale solo di dire acqua o molecole che sono idrofili, sarà solo in grado di sciogliere qualsiasi tipo di farmaco contaminante che sia idrofilo, ma il tipo idrofobico di impurità o la polvere rimarrà comunque bloccato ai vostri vestiti. Ma, se hai un detergente che sia sia idrofilo che idrofobico, allora andrà a solubilizzare entrambe le parti della sporcizia ed è per questo che pulisce i vestiti molto meglio dell'individuo

componenti. Quindi, essenzialmente quello è un surfacio che usi nelle tue lavatrici in occasione del lavaggio dei vestiti e del tutto.
(Riferimento Slide Time: 10.40)

Quindi, ora abbiamo quel concetto chiaro. Parliamo di proteine in sé, dato che si parlerà prevalentemente di adsorbimento proteico. Quindi, le proteine di nuovo composti da aminoacidi non sono altro, ma gli aminoacidi polini. Così, come potete vedere qui, diversi aminoacidi vengono coniugati l'uno all'altro. Hanno un N - capolinea che in sostanza significa la proteina finale che avrà un'ammina primaria alla fine e un capolinea C che è la proteina finale che avrà un -COOH alla fine. E così, si tratta di una struttura primaria che è sostanzialmente tutta aperta.
Si può avere una struttura secondaria che significa che queste proteine o questi aminoacidi si autoallineeranno in una sorta di struttura complessa che potrebbe non essere lineare, potrebbe trattarsi di fogli beta, potrebbe essere alfa helix e questi possono poi ulteriormente riallinearsi in struttura terziaria e quaternaria che diventa sempre più complessa.
Quindi, sappiamo che tutti gli aminoacidi sono non polari, polari e anionici. Ci sono tutti i tipi di aminoacidi così come sono anche catene neutre e così, tutte queste proprietà sono presenti nelle proteine. Quindi, le proteine hanno zone non polari, hanno zone polari, hanno ionico e le loro catene neutre. Quindi, un non polare non è essenzialmente nulla, ma alquanto legato qui, e le loro strutture possono anche essere primarie, secondarie, terziarie e quaternarie.

E ancora tutti questi possono avere più configurazioni a seconda dell'ambiente la proteina è la struttura quaternaria può avere infinite combinazioni di struttura. Quindi, tutto questo si aggiunge alla complessità di queste proteine.
(Riferimento Slide Time: 12.16)

Quindi, quando diciamo che parlerà di folding proteico stiamo dicendo che per la proteina solubile dell'acqua il pieghevole è essenzialmente guidato da quello che è il mezzo nel circondario. Quindi, se è acqua, vuole minimizzare l'interazione idrofobica con l'acqua. Quindi, quello che accadrà è lasciarci dire che ho questa proteina. Una proteina lunga, in questo caso sto disegnando una singola catena, diffonderla. Diciamo che questa è la mia proteina dove questo è il dominio idrofobico e poi questi sono tutti domini idrofili. Quindi, questo è idrofobico, questo è idrofobico, questo è idrofobico e poi tutti questi sono idrofili.
Quindi, ora se metto questa proteina in acqua quello che accadrà è l'acqua piacerà a interagire con il dominio idrofilo. Così, andrà e comincerà ad interagire con esso comincerà ad accumularsi vicino e al dominio idrofilo, ma poi questo dominio green non vorrà interagire con l'acqua a tutto bene perché questo è idrofobico. Quindi, non piace molto all'acqua. Quindi, quello che accadrà è allora questo corpo verde comincerà ad autoassemblarsi.
Così, alla fine quello che accadrà è che avrete la struttura dove tutti i domini verdi tenderanno ad interagire tra loro perché non hanno davvero altro da interagire, mentre, tutti i domini rossi che sono domini idrofili tenderanno ad essere lontani dai domini verdi così come inizieranno ad interagire con l'acqua. Quindi, voglio dire che questo è uno dei casi molto più semplici di folding di proteine che ho appena descritto qui. Il ripiegamento delle proteine è molto più complesso perché come ho detto hanno tutti i tipi di non polare, polare, carica di tutti i tipi di moietà e bonifica dell'idrogeno.

Quindi, tutto questo giocherà un ruolo e si tradurrà in una struttura che è molto complessa è tipicamente una struttura quaternaria per qualsiasi grande proteina e così, ecco cosa definisce il folding delle proteine. Ovviamente questo è il ripiegamento delle proteine in acqua, ma se si cambia l'ambiente nella circostante allora la struttura cambierà a destra. Insomma se la stessa piega doveva accadere a lasciarci dire un solvente organico. Diciamo esano - ora esano vuole interagire con questi domini idrofobi, ma non vuole interagire con i domini idrofili.
Quindi, quello che accadrà essenzialmente è di nuovo tutte le regioni rosse crolleranno all'interno e poi le regioni verdi saranno all'esterno facendo in modo che stiano schermando tutti i domini rossi che sono idrofili e non lire. Così, ora potete vedere che la struttura è completamente cambiata. Quindi, a seconda dell'ambiente in cui il folding delle proteine avverrà si vedranno questi effetti dove la struttura proteica cambierà. Quindi, è abbastanza dinamico ed è in realtà molto sensibile anche solo piccola perturbazione all'ambiente locale.
È possibile modificare la quantità di sale nel liquido e che modificherà la struttura proteica. Si può cambiare la posizione della proteina da una parte del corpo all'altra e che modificherà leggermente le strutture proteiche tutto questo è molto sensibile al suo ambiente.

(Riferimento Slide Time: 16.36)

Così, come ho detto che stanno cercando di minimizzare le interazioni idrofobiche. I domini idrofobi ripiegati in un nucleo lontano dall'acqua e vogliono massimizzare le interazioni idrofiliche - tutti i residui polari e carichi sono all'esterno.
(Riferimento Slide Time: 16.48)

Quindi, a causa di questo ora quello che stiamo essenzialmente dicendo è che le proteine sono entrambe contenenti un dominio idrofilo e idrofobico e di conseguenza sono dei tensioattivi deboli.
Non hanno domini idrofili e idrofobi forti, ma hanno una piccola piccola idrofilicità e idrofilicità nei loro aminoacidi singoli e quindi, sono dei tensioattivi deboli e di nuovo a causa di ciò vi è una differenza relativa nell'idrofobicità, ma non una differenza molto grande. Così, possono quindi cambiare facilmente la struttura e adattarsi a qualunque superficie o qualunque ambiente siano messi dentro.
(Riferimento Slide Time: 17.34)

Quindi, da qui la maggior parte dei fluidi corporei che contengono diverse proteine si tradurrà in un adsorbimento proteico su qualsiasi sostanza estranea che il corpo vede. Quindi, abbiamo diversi tipi di proteine. Ad esempio, un sangue contiene quasi circa 400 diverse proteine a diverse concentrazioni che scorrono attraverso la nostra circolazione sanguina. E così, quello che accadrà è se ci lascio dire mettere un impianto per esempio - una penna nel mio corpo e poi quello che accadrà è lasciarci dire che questo è un impianto. Ai fini di questa particolare scivolo diciamo che questo impianto è non poroso, nulla può penetrare in - si tratta di una penna solida. Quindi, quello che accadrà sarà prima interagire con l'acqua. Quindi, l'acqua è ovunque. Così, l'acqua verrà a contatto con questo impianto. Ora, questa acqua che in questo caso è il siero contiene diverse proteine piegate in una certa struttura.
Allora, diciamo che questo impianto è idrofobico magari diciamo un impianto PLGA allora quello che accadrà è quando questa proteina entra in contatto entra in contatto con la superficie questi domini esterni questi sono diritti idrofili. Quindi, vogliono rimanere in acqua, non vogliono davvero interagire con la superficie e nemmeno la superficie vuole interagire con loro. Quindi, quello che accadrà è che la proteina si aprirà e si riempirà tale che i domini idrofobi sono più che contatto con la superficie. Quindi, questa proteina sta per riaprire tale che tutte queste regioni sono idrofiliche e tutte le regioni direttamente a contatto sono idrofobiche.
Quindi, tutto questo e a causa di queste interazioni idrofobiche - idrofobiche c'è un legame forte che si forma o il numero di piccoli legami deboli, ma c'è talmente tanto che l'intera interazione è molto forte, quindi, questa proteina assorbe molto fortemente queste superfici. E una volta che queste proteine si adsorbono, poi le cellule che sono in quantità molto più bassa rispetto alle proteine arriveranno e cominceranno a percesare la superficie e la maggior parte di queste cellule ben si avvia anche a vedere queste proteine che vengono assorbite. Quindi, la maggior parte del tempo la mediazione dell'attaccante della cellula all'impianto avviene attraverso queste proteine che si addolano attraverso il siero o qualche altro fluido corporeo ovunque l'impianto venga inserito.
Quindi, la conseguenza è lo strato proteico adsorbito mediano la risposta biologica. Quindi, se io dico che la cellula è l'unità principale che sta governando qualunque risposta stiamo per arrivare allora le proteine che si adagiano su di esso determinano come le cellule arriveranno e ci allegano, che tipo di segnali le cellule otterranno e da qui si definiscono essenzialmente quale tipo di risposta biologica il corpo darà ad un certo biomateriale.
(Riferimento Slide Time: 20.35)

E come ho detto le proteine possono denare sull'adsorbimento. Quindi, la struttura proteica non è molto stabile. Così, una volta che l'ambiente cambia il riscaldamento, l'agente chimico e tutti provocherà denaturazione della struttura. Quindi, quando gli adsorbi proteici, l'interazione con il solido c'è un cambiamento nell'ambiente chimico circostante e questo potenziale cambiamento provoca il cambiamento di conferma proteica che si può chiamare denaturazione che significa essenzialmente cambiare solo dalla struttura originaria. Questo non significa necessariamente che si aprano completamente. Significano solo che qualunque sia il loro stato naturale, quello si è denaturato.
Quindi, possono assumere una catena completamente aperta o possono avere qualche altra conformazione che non si trova tipicamente nella natura. E ancora ci sono diversi tipi di proteine a seconda della composizione degli aminoacidi alcune strutture sono più stabili degli altri. Quindi, anche la magnitudo di risposta che si sta per ottenere su un materiale per diverse proteine sarà differente.
Quindi, alcune proteine sono molto suscettibili di denaturazione. Apriranno completamente tutto nella struttura, mentre alcune proteine non sono propriamente tali in termini di modifica della loro struttura. Così, possono ancora mantenere la loro attività, possono comunque mantenere la struttura naturale che era presente in origine.
(Riferimento Slide Time: 21.56)

Quindi, come le proteine si denotano sull'adsorbimento? Ne abbiamo già coperto un po' ma la denaturazione dipenderà dalla chimica della superficie biomateriale e dalla bagnabilità dell'acqua. Quindi, quanto è idrofilo; quanto è idrofobico; che tipo di chimica di superficie c'è; quali legami possono formare tra le proteine e la superficie tutto ciò che la determineremo.
Quindi, tipicamente alla superficie biomateriale idrofila, che è ricca di gruppi cariche o di amminoacidi caricati, queste regioni ricche di amminoacidi idrofili di proteine preferiscono interagire con la superficie.
Quindi, se ci ho lasciato dire due superfici - una è idrofila e un'altra è idrofobica e naturalmente, lo sto facendo in un ambiente idrico che è idrofilo e ho una struttura proteica che ci fa dire così. Poi in quando si entra in contatto con la superficie idrofila, la struttura proteica può cambiare un po ', forse diventerà leggermente allungata, ma più o meno la struttura sarà simile. Mentre, quando si entra in contatto con il dominio idrofobico, diventerà completamente all'interno.
Quindi, la struttura cambierà molto di più rispetto a una superficie idrofila solo perché originariamente la proteina era in un ambiente idrico abbastanza idrofilo.
Quindi, non c'è molto di un drastico cambiamento che sta accadendo. Tuttavia, questa superficie idrofila può avere molti gruppi funzionali che sono reattivi e che possono ulteriormente causare cambiamenti. Quindi, c'è tutta la grandezza e vari gradi di risposta che otterremo.
(Riferimento Slide Time: 23.47)

Quindi, tipicamente c'è una bassa denaturazione poiché ci sono già domini idrofili presenti all'esterno quando si parla di una superficie idrofila. Ecco perché di solito quando si parla di ingegneria tissutale o si parla di impianto. La maggiore enfasi è quella di rendere la superficie abbastanza idrofila in modo da non iniziare a denaturare lotti di proteine che possono causare qualche tossicità.

Al biomateriale idrofobico di cui abbiamo parlato che è ricco di gruppi non polari, gli aminoacidi idrofobici tenderanno a interagire preferibilmente con la superficie. Quindi, questi domini idrofobi sono stati inizialmente sepolti all'interno della struttura proteica. Quindi, dovranno poi uscire e questo causera ' molto piu' cambiamento alla struttura proteica che lasciarci dire una superficie idrofila.
Quindi, nelle proteine globulari idrosolubili gli aminoacidi idrofobici sono nel nucleo proteico.
Così, questi cercheranno di interagire con la superficie idrofobica e di cambiare parecchio la struttura.
(Riferimento Slide Time: 24:52)

Quindi, ancora perché tutto questo è importante? Così, ancora brevemente abbiamo già parlato di questo, ma se avete un substrato solido, la prima cosa che interagirà sono le proteine e si adagieranno sulla superficie e poi quando la cellula arriverà non sarà in grado di vedere bene la superficie del substrato solido. Questa superficie è tutta nascosta da questo strato di proteine.
Quindi, le cellule saranno in grado di interagire solo con qualunque sia presente sulla superficie che è in questo caso proteine addolorata e che porterà ad ogni risposta biologica che accadrà. Ovviamente la proteina che assorbe è dipendente dalla superficie stessa. Quindi, si può obiettare che si può ordinare di controllarlo e comunque, ma è ancora molto importante studiare l'adsorbimento proteico.

Così, la membrana cellulare ha proteine del recettore, comprese le integrine che si legano a diverse di queste proteine che si trovano nel siero ed è così che si uniranno alla superficie, ecco come si alleggeranno, ecco come inizieranno a funzionare su quella superficie e così, le cellule che allegano riconosceranno questo biomateriale attraverso queste molecole integrin.
Quindi, in questo caso di cosa stiamo parlando sono queste cellule. Quando si allegano alla superficie hanno una classe speciale di molecole che si chiamano integrini e la maggior parte dell'attaccamento e della diffusione di queste cellule su queste superfici avverrà quando questi integrini si legano ai loro recettori o ai loro leganti. Quindi, queste potrebbero essere proteine come fibronectina, collagene, laminina e diverse altre.
Quindi, quando queste proteine vengono adsorate sulla superficie solo allora le cellule possono andare e legarsi alla superficie prima che le cellule non siano in grado di allegare a quelle superfici e di crescere realmente. Così, come ho detto qualsiasi tipo di risposta immunitaria sarà guidato anche da queste proteine che sono addolorate. Quindi, tutto è sorta di controllato dall'adsorbimento proteico.
Ci fermeremo qui e continueremo a riposare nella prossima classe.
Grazie.