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Module 1: Ingegneria dei tessuti

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Salve a tutti, benvenuti a un'altra lezione per la Drug Delivery Engineering and Principles. Io sono Rachit e stiamo parlando di alcune strategie di ingegneria tissutale e di come la consegna della droga sia coinvolta in alcune di queste strategie. Quindi, solo un rapido recap di quello che abbiamo imparato nell'ultima classe.
(Riferimento Slide Time: 00.42)

Quindi, quello che abbiamo imparato è essenzialmente quello che sono gli aspetti legati alla consegna della droga nell'ingegneria tissutale. Così, prima della scorsa classe parlavamo di ingegneria tissutale e dando un po' di concetto di base. Ora, ci stiamo muovendo verso l'apprendimento di come la consegna della droga sia utilizzata per l'ingegneria tissutale. E così in questo, quello che abbiamo discusso è prima di tutto varie strategie per rilasciare molecole attraverso le matrici e queste molecole possono essere piccole molecole, queste potrebbero essere grandi bio - molecole e poi queste potrebbero essere addirittura DNA che è essenzialmente una parte di grande molecola bio o questo potrebbe essere addirittura cellule.
Quindi, solo in sostanza dipende da cosa è l'applicazione, ma si possono utilizzare varie strategie per rilasciare ogni tipo di cose dalle tue matrici per l'applicazione di ingegneria tissutale. E così, abbiamo parlato di una cosa semplice è che si può usare l'incapsulamento. Quindi, lei essenzialmente usa la taglia e, ne abbiamo parlato più volte nella classe idrogel, in altre matrici di polimeri è; diciamo che avete una rete mesh che ha una dimensione pore di 5 nanometri.
E se il vostro farmaco stesso è di 10 nanometri, allora starete lì e potrete degradare lentamente queste matrici per rilasciare questo farmaco nel tempo. L'altro è la coniugazione covalente. Quindi, perlopiù ne abbiamo discusso in termini di fattori di crescita. Quindi, diciamo, se ho una catena di matrice di polimeri e voglio che i fattori di crescita ci siano per un bel po' di tempo, quello che posso fare è collegare i fattori di crescita.
Allora, diciamo che questo è fattore di crescita per la mia catena di polimeri attraverso qualche legame covalente.
Uno degli svantaggi qui è che se le cellule vogliono internalizzare questo o le cellule vogliono vedere un gradimento di questo in arrivo, sarà dura. Quindi, per alleviare che ciò che si può fare è, si possono avere queste catene di polimeri, che sono degradabili. Quindi, se questi sono degradabili, quello che avrete è, diciamo se questa è una matrice zoomata.
Così, mentre si va più lontano da esso, si avrà sempre meno fattore di crescita, perché i fattori di crescita possono essere rilasciati e entrare in un lavandino del sistema. Quindi, questo darà un gradimento per le cellule a cui entrare. Quindi, questo è un modo, ma se le cellule vogliono davvero entrare e sentire ancora il fattore di crescita lì allora, quello che si può anche fare è che si può avere qualcosa che è un legame che le cellule possono ripulirle.
Quindi, se questo è il caso, allora le cellule si uniranno ad essa possono quindi ripulirle questo legame e utilizzare essenzialmente questo fattore di crescita per poi differenziarsi o qualunque cosa stiano progettando di fare. E poi, infine, abbiamo parlato di coniugazione non covalente. Abbastanza riuscito per questo tipo di applicazioni qui e. Quindi, tutto il suo dire è piuttosto che avere e le cellule a fare tutto il lavoro qui, quello che si può fare è una sorta di immobilizzazione dei tuoi fattori di crescita con qualche affinità. Quindi, i fattori di crescita possono avere affinità diretta con le tue catene di polimeri.
E così, in questo modo il fattore di crescita si atterrà alla catena dei polimeri con qualche affinità e quando la cellula entra, può legarsi con l'affinità più grande e portare via questo fattore di crescita. L'altra opzione che puoi fare è, puoi legare il fattore di crescita a una molecola che ha affinità con la tua ECM. E così, in quel modo allora il fattore di crescita, che è legato a questa molecola, si attaccherà a ECM e le cellule possono ancora tirarla via insieme a questa molecola che potrebbe diminuire in parte l'attività del fattore di crescita.

Ma, è ancora accessibile o quello che si può fare è, è possibile legare l'eparina alle tue catene ECM e poi, se metti l'heparina del fattore di crescita come abbiamo parlato nell'ultima classe come piuttosto un po' di affinità per lotti e lotti di diversi fattori di crescita. Quindi, in questo modo, le cellule saranno essenzialmente in grado di interagire con questo fattore di crescita ed essere in grado di toglierlo anche, se necessario perché questo avrà un'affinità più elevata rispetto all'affinità del fattore di crescita dell'heparin.
Ecco, queste sono alcune delle strategie di cui abbiamo discusso; abbiamo nuovamente discusso alcuni esempi utilizzati in letteratura. E così, come questi sistemi possono comportare un miglioramento molto migliore della funzione cellulare e che lasciarci dire un sistema covalentemente coniugato o appena incapsulato.
(Riferimento Slide Time: 05.08)

Quindi, continuiamo la nostra discussione. Così, ecco di nuovo un altro esempio dalla letteratura, continueremo a dare molti esempi. Quindi, che voi ragazzi siete abituati anche ad alcuni della letteratura e imparate la loro applicazione.
Quindi, quello che si sta facendo qui è che hanno usato un sistema polimerico e hanno utilizzato il dual growth factor delivery. Così, in questo caso quello che hanno fatto è che hanno creato una matrice porosa e in quella porosa matrice ciò che hanno fatto è, hanno incapsulato il loro VEGF che è un fattore di crescita che stanno utilizzando direttamente nella matrice.
E, alternativa a quella che hanno fatto anche loro, hanno incapsulato questo VEGF in un polimero e poi, hanno usato un PGDF che è stato incapsulato direttamente qui.

Quindi, in un tale sistema cosa si vede di solito e poi; ovviamente, ci sono tantissimi pori in giro. Quindi, ciò che di solito si vede è questo - essenzialmente si ha un sistema che ha dei pori e il polimero intorno contiene il fattore di crescita che si sta cercando di erogare, mentre, in questo caso si hanno dei pori, ci si è polimeri intorno e quel polimero racchiude un altro polimero che contiene il tuo fattore di crescita. Ecco, questi sono i due sistemi che hanno creato.
(Riferimento Slide Time: 06.44)

E vediamo cosa hanno fatto con questo? Così, in questo caso, ora stanno facendo un rilascio cumulativo da questo polimero di quel fattore di crescita. Quindi, quello che stanno vedendo è; se incapsulate i fattori di crescita nell'impalcatura dei polimeri. Quindi, si ottiene un certo tipo di rilascio. Quindi, qui si sta vedendo che siccome il polimero è degradante o le molecole si diffusano, si ottiene una certa release mentre, nell'altro caso si può dove nel caso D, quello che hanno fatto è che hanno pre - incapsulato questo fattore di crescita in un altro polimero.
Quindi, questo è lo stesso caso che vediamo qui. C'è un altro polimero che sta incapsulando questi fattori di crescita e quando hanno fatto che poi questo intero polimero poi viene incapsulato in un altro polimero che contiene porzioni attraverso le quali queste possono diffondersi. Quindi, ora il fattore di crescita deve prima aspettare che questa matrice si degradasse e poi possano iniziare a diffondendoci. Quindi, si vede un rilascio molto più lungo e una sorta di rilascio bifasico in questo particolare esempio. Quindi, questo è solo alcuni dei modi in cui questi autori hanno cercato di modificare il rilascio della loro molecola attraverso queste matrici.
(Riferimento Slide Time: 08.06)

E così, ecco solo un altro esempio. Quindi, quello che hanno fatto è in questo caso, hanno fatto la consegna bolus. Quindi, sostanzialmente nessuna matrice viene utilizzata e stanno cercando di capire se possono generare alcuni vasi sanguigni e usano (Fare riferimento a Tempo: 08.21) qualche colorazione da vedere, se ci sono dei vasi sanguigni che vengono generati. Quindi, quello che stanno guardando qui è un impianto e vedere quanti vasi sanguigni sono cresciuti in quell' impianto.
Quindi, quello che vedono, se hanno solo un impianto in bianco, c'è una certa densità di vaso sanguigno che trovate; se danno un'iniezione bolscana di VEGF o PDGF, che sono di nuovo due dei fattori di crescita che abbiamo detto sono coinvolti, ottengono una certa risposta. Così, la risposta arriva dal 65 a lasciarci dire al max fino al 100 e questo è sia a 2 settimane che a 4 settimane.
Quindi, è comunque un miglioramento marginale, ma non si traduce davvero in un intero lotto di vasi sanguigni che si formano, che è anche pittoricamente possibile non poter vedere davvero molti vasi sanguigni intendo questo è un vaso sanguigno qui, ma non un intero lotto di densità.

(Riferimento Slide Time: 09.09)

Mentre se si fa un rilascio sostenuto, quindi, ricordate come si stanno ottenendo questi valori per essere circa 70-80. Dove in questo caso ora quello che hanno fatto sono sostenuti e si fa una consegna sequenziale.
Quindi, quello che vedono ora è che se ne vive una sola va fino a un certo valore in 2 settimane e se fanno durissime sale anche di nuovo sale fino a certi valore e poi a 4 settimane ottengono ottimi miglioramenti sia con queste consegne. Così, ancora i numeri sono molto più alti. Quindi, è un sistema migliore piuttosto che dare solo un'iniezione di bolo; così, solo un modo per far crescere i vasi sanguigni nel vostro tessuto.

(Riferimento Slide Time: 09.49)

E poi sono andati oltre in un modello di malattia. Così, ancora in caso di malattia la capacità intrinseca del corpo di guarire è molto più bassa. Quindi, questo è un modello diabetico che hanno usato e quello che vedono di nuovo è se usano solo una matrice ottengono cellule di vascello molto piccole. Ma, se iniziano a rilasciarsi VEGF ottengono un certo potenziamento, ma comunque abbastanza marginali con PDGF non vedono davvero molto la valorizzazione, ma se rilasciano entrambi vedono un salto piuttosto lungo; quasi 3 a 4 volte, più alto numero di cellule delle navi che si trovano nelle vicinanze.
Quindi, questo sta di nuovo mostrando che se si fa un rilascio sostenuto si danno abbastanza tempo agli enzimi e alle cellule per sperimentare il fattore di crescita nella matrice e muoversi verso di esso; si ottiene una risposta molto migliore. Diciamo, in confronto alla consegna del bolus, cosa accadrà se si fa una consegna a bolo? Questi fattori di crescita sono piccoli che si allontaneranno rapidamente dal corpo.

(Riferimento Slide Time: 10.55)

Ecco, ecco un altro articolo che parlava di cell chiesto rilascio di VEGF dalla cellula interattiva bio sintetica in matrici di crescita.
(Riferimento Slide Time: 11.05)

E così di nuovo quello che hanno fatto qui è questo è un polimero sintetico che hanno usato.
Così, hanno usato un solfone in vinile di PEG armato da 4. Quindi, ciò che fa è questo incrocio qualsiasi peptide che contiene una cisteina o qualsiasi tiolo. Così, hanno creato una matrice fuori da quella e in quella matrice ciò che hanno fatto anche sono i peptidi incorporati che sono prima di tutto proteasi (MMPs) e hanno anche usato peptidi che sono adesivi cellulari e infine hanno incorporato VEGF che ha anche una cisteina.
Così, che ottiene anche legame con la rete.
Allora, questo è quello che vedete qui. Così, nel sistema che si sta vedendo. Quindi, questa è una catena polimerica, quindi la catena PEG. Questo qui è il sito cleavable. Quindi, le cellule possono davvero spezzarlo. Questo è un peptide adesivo cellulare. Quindi, le cellule possono davvero legarsi a essa e poi, infine, questo proprio qui è il VEGF che queste cellule possono arrivare e interagire con così come il VEGF può rilasciare nel tempo come sempre più di questi legami sono schiariti e causare più celle da migrare in.
Quindi, questo è praticamente l'intero sistema che hanno progettato qui; molto imitati di quello che vedete nel tessuto dove le cellule possono muoversi, le cellule hanno fattori di crescita da legare, le cellule hanno un legante adesivo attraverso il quale possono allegarsi alla superficie così come possono se vogliono ripulirla la superficie e muoversi ulteriormente.
(Riferimento Slide Time: 13.00)

E così, sono andati avanti con il sistema e quello che vedono qui è questo è un gel di controllo.
Quindi, questo non VEGF qui e vedono una certa densità dei vasi sanguigni in questo sito. Quindi, è qui che è stato messo l'impianto. Poi hanno messo nell'impianto e dato un VEGF solubile nell'impianto e quello che vedono è che alcuni dei vasi sanguigni hanno iniziato a crescere, ma pochissimo perché ovviamente questo VEGF si sdoganerà molto velocemente. E, poi quello che hanno fatto è il metodo che abbiamo descritto nella slide precedente in cui hanno sostanzialmente messo in impianto il VEGF e quello che si inizia a vedere è piuttosto un bel po' di vasi sanguigni nell'impianto suggerendo che questa strategia sia molto migliore e questo sia di nuovo pittoricamente rappresentato.
Quindi, questo è il vostro controllo ingrandito in immagine in quest' area e quindi si vede una certa densità di vaso sanguigno, questo aumenta con VEGF solubile. Così, iniziate a vedere questi piccoli rami che escono da alcuni di questi vasi più grandi. Nel VEGF vincolato vediamo effettivamente che questi rami sono abbastanza maturi e in un numero molto più elevato poi rispetto al VEGF solubile. Infatti, tutta la zona sembra piuttosto verde, il verde è la colorazione per le cellule del sangue.
(Riferimento Slide Time: 14.25)

Quindi, un'altra cosa che voglio rapidamente toccare sono alcune delle differenze tra idrogel naturali e idrogel sintetici per l'ingegneria tissutale. Ancora, abbiamo parlato abbastanza di tanto di questi e voi ragazzi ne avete visti diversi esempi, ma voglio anche parlare di più a quanto si può fare con questi idrogel naturali e sintetici e cosa usare in quale caso e come le cellule interagiscono con loro.
Quindi, vediamo. Così, in questo caso farò due esempi; uno è un idrogel PEG, dove stiamo osservando un materiale sintetico e un altro è l'idrogel di collagene che in questo caso è un materiale naturale, il collagene è naturalmente, una delle proteine più abbondanti del nostro corpo.
Allora, come si differenziano questi idrogel?

Quindi, vediamo. Parliamo della struttura in generale. Quindi, questo risale a quello che abbiamo già discusso con gli idrogel PEG. Tipicamente se si dispone di un idrogel PEG, si otterranno catene che sono una sorta di incrocio fisicamente o chimicamente a seconda del gruppo funzionale presente su questi PEG, perlopiù chimicamente, e poi ci sarà un orientamento casuale di essi, ci saranno singole unità di catene vincolanti per un'altra unità a catena di cambiamento e si ottiene una certa dimensione di poro che sarà eterogenea, ma non altrettanto eterogenea. Il suo da qualche parte si aggira intorno alle medie più pochi micron e nanometri a seconda di quello che è la media e si possono incapsulare le cose in modo da poterla rilasciare nel tempo, le cose possono migrare in se la sua degradata o la dimensione del poro è abbastanza grande. Mentre, l'idrogel di collagene prima di tutto se si usa lo stesso numero di catene di collagene usate per PEG.
Il collagene in realtà è noto per formare fibrille. Quindi, la maggior parte delle proteine ECM che troviamo in un corpo che formano in realtà fibre di spessore e poi il modo in cui formano fibre spesse sono essenzialmente diverse catene singole che si uniranno e causano essenzialmente una fitta fibra. E, poi, si può avere un'altra fibra spessa che attraversa quella e poi similmente anche qualche fibra pensante crolla anche tutto questo e così, questo è un tipo di idrogel che con quell' idrogel di collagene.
E così, come potete vedere è un sistema molto diverso tra questo idrogel e questo idrogel. Ecco, questo è in termini di questa struttura. E la tunabilità? Quindi, ancora la sintonia è presente in entrambi, le matrici sintetiche hanno sicuramente molto più controllo da quando è possibile definire ogni singola catena. Così, ognuno di loro avrà un certo orientamento, ognuno di essi avrà un controllo su quella che è la rigidità (Fare riferimento al Tempo:
18.03) Saranno abbastanza uniformi in tutto, perché queste sono tutte catene casuali saranno abbastanza uniformi. E puoi cambiare la densità dei polimeri puoi ottenere molte più catene lì dentro.
Così, è possibile diminuire la dimensione dei pori, è possibile aumentare le proprietà meccaniche del proprio sistema. Mentre, nei casi di collagene idrogel quello che troverete è il controllo c'è, ma non è tanto giusto perché queste fibrille, prima di tutto, hanno davvero cambiato la rigidità nell'area locale. Quindi, se misuro la rigidità di questo particolare gel o questa particolare fibra sarà molto più forte di queste singole fibre. E l'altra cosa è che sono materiali naturali il suo genere di difficoltà a modificarli e la sua sorta di autoassemblamento in queste strutture, quindi, il controllo è molto minore. E che dire della manovrabilità delle cellule?
Ecco, questo è un altro buon esempio qui. Quindi, ora, questi idrogel PEG non hanno alcun sito di collegamento cellulare. Quindi, prima di tutto le cellule potrebbero non voler interagire con esso. Quindi, quello che devi fare è che devi incorporare siti di collegamento cellulari, e quello che intendo dire è che se la cellula entra e vuole interagire con questo, a questo punto le catene PEG non hanno dei legni. Quindi, a meno che io non metta un legante diciamo che RGD di cui abbiamo parlato nel caso precedente e questa cellula non è in grado di legarsi a questo. Solo se c'è RGD o qualche altra sequenza le celle possono effettivamente legarsi a queste matrici. Quindi, questo è uno.
L'altro è cosa se la cellula vuole muoversi? Ora, il modo in cui il sistema è impostato sono queste dimensioni di porpora sono una abbastanza uniforme perché queste sono catene singole e ciò che troverete è tipicamente formare un idrogel che avete bisogno di un bel po' di catena. Quindi, queste dimensioni dei pori sono tipicamente sempre meno di 100 nanometri.
Ora, quando parliamo di cellule stiamo parlando di almeno cellule di mammiferi stiamo parlando di cellule di mammiferi che sono tipicamente sempre superiori a 5 micron. Quindi, ora, se sto dicendo che la dimensione dei pori è di 100 nanometri che è abbastanza uniforme plus meno lasciateci dire 10 nanometri o 20 nanometri, queste cellule non possono davvero muoversi attraverso quella. Sono in sorta di registrazione in tutti i tipi di catene di polimeri che li attraverseranno e non possono muoversi ovunque se si hanno incapsulato queste cellule all'interno.
Quindi, se si desidera che la manovrabilità delle cellule ciò che si deve fare è di incorporare anche la dimensione della cleavage della proteasi, che in sostanza significa che, ora se cambio questa sequenza per lasciarci dire queste regioni verdi che sono degradabili da certi enzimi che le cellule hanno sulle loro membrane o possono secernare, solo allora le cellule possono effettivamente iniziare a degradarlo.
Quindi, lo spezzeranno, spezzando essenzialmente tutta la catena e poi potranno iniziare a muoversi. E, quindi questo è uno dei temi con queste idrogel sintetici perché bisogna occuparsi di tutte queste cose prima che diventi cellulare compatibile; perché essenzialmente se si desidera che le cellule siano abbastanza felici in quel sistema, si desidera qualche manovrabilità delle cellule in quel sistema.
Quindi, dovrai fare tutto questo. E anche allora potrebbe non bastare perché diciamo che una cellula vuole muoversi ad un ritmo molto più veloce. Ma, prima di tutto deve aspettare che la cellula degradasse il sito di cleavage della proteasi che potrebbe essere a un ritmo molto più lento o viceversa, magari si degradi troppo e ora improvvisamente la cellula non ha nulla da legare al suo completamente nel nostro poro che sta cercando un sito attivo e tutto si ripulisce.
Così, tutti questi temi iniziano a entrare quando si parla di materiali sintetici e si deve fare molta ricerca per capire qual è la velocità con cui si desidera che queste sequenze peptidiche si ripulisca e che varieranno con la cellula al tipo di cellula. E, non solo che varierà dall'applicazione all'applicazione e poi non avrà un controllo molto controllo su quel sistema in termini di questa felicità cellulare o la compatibilità cellulare con quel sistema.
Ora, confrontiamo con quello che succede con gli idrogel di collagene. Così, abbiamo già parlato della struttura e della tunabilità, la struttura è descritta qui di sintonia che si ottiene una migliore risposta da idrogel sintetici. Ma quando si tratta della manovrabilità della cellula tutti questi stessi hanno dei siti di collegamento cellulare, la maggior parte delle proteine ECM avrà un determinato sito di collegamento cellulare. Quindi, questo potrebbe essere il collagene come è scritto qui o questo potrebbe essere fibronectina, potrebbe essere laminato, potrebbe essere altro che tutti questi hanno dei siti di collegamento cellulare.
Quindi, questi si uniranno alle cellule. Quindi, questo non è richiesto. E il movimento della cellula? Quindi ora, quello che avete fatto qui è perché queste fibre hanno una sorta di auto assemblata in grandi fibrille le dimensioni dei pori sono molto diverse. Quindi, quello che troverete è tipicamente la dimensione dei pori in un tale gel può essere facilmente cambiata da lasciarci dire pochi nanometri, diciamo 1 nanometri fino a 10s di micron.
Quindi, certe regioni avranno grandi porzioni certe regioni saranno abbastanza compatte come si vede qui. Quindi, questo si parla di meno di 1 nanometri e di questo si parla di enormi lacune di lasciarsi dire 10 micron e per questo non bisogna preoccuparsi davvero della manovrabilità delle cellule. Quindi, quando la cellula vuole muoversi nel gel, non deve aspettare che una qualche cinetica di degradazione accada e si muova.
Quindi, questo può accadere ogni qualvolta la cellula vuole muoversi e non solo, questi sono materiali naturali di cui abbiamo appena parlato. Quindi, le cellule hanno capacità di andare avanti e degradare le fibrille di collagene se vogliono davvero o depositare di più. Quindi, le cellule possono effettivamente arrivare e depositare più collagene e che il collagene interagirà poi con questo collagene già presente e quindi, le cellule possono muoversi facilmente, le cellule possono rimodellare facilmente la rete, e poi le cellule possono anche legare facilmente la rete.

Quindi, potete vedere tutte queste sono una sorta di vantaggi di un sistema naturale che si ottiene perché non bisogna preoccuparsi ora di fare un altro componente che come sito di collegamento cellulare, non bisogna preoccuparsi di fare un altro componente che come sito di cleavage di cella che sono tutti intrinsecamente presenti. Allo stesso tempo c'è ovviamente, inconveniente che la sintonia è abbastanza bassa.
Quindi, questa è la maneggevolezza cellulare è molto alta, in questo caso è bassa. La tunabilità è bassa in questo caso, alta in gel sintetico e la struttura è ovviamente, diversa e il controllo sulla struttura è alto qui, più basso qui. Ecco, questi sono alcuni vantaggi e svantaggi di entrambi i sistemi di idrogel sintetici e naturali quando si sta guardando il livello cellulare e come interagisce la cellula con esso.
Quindi, solo qualcosa da tenere a mente e qualcosa da considerare quando si sceglie un materiale per qualsiasi applicazione che si desidera utilizzare per in vivo o nella ricerca. Quindi, è importante considerare questi fattori. Quindi, ci fermeremo qui e continueremo ulteriormente nella prossima classe, ci vediamo allora.
Grazie.