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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/3616

Title: Micrometer-scale systems for regenerative medicine applications
Authors: Toppazzini, Mila
Supervisor/Tutor: Paoletti, Sergio
Skjak Braek, Gudmund
Co-supervisor: Coslovi, Anna
Issue Date: 26-Apr-2010
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: La medicina rigenerativa applicata al campo ortopedico è considerata una possibile opzione terapeutica per la riparazione del tessuto osseo danneggiato. Si stanno studiano e sviluppando una gran varietà di sostituti ossei sintetici come valida alternativa agli innesti di tipo tissutale. Lo scopo di questo lavoro di tesi è la progettazione e lo sviluppo di un materiale iniettabile per il riempimento dei difetti ossei. In particolare abbiamo sviluppato un riempitivo composito iniettabile usando materiali biodegradabili di tipo polisaccaridico funzionalizzati con elementi bioattivi come mediatori dell’adesione cellulare, fattori di crescita osteoinduttivi e peptidi di tipo antimicrobico. Il costrutto finale è un composito a due fasi, le cui parti, inizialmente, sono state sviluppate separatamente. La struttura è stata progettata come composta da una parte bioattiva, costituita da microsfere disidratate di alginato e idrossiapatite recanti peptidi, immersa in una matrice veicolante rappresentata da una soluzione concentrata di acido ialuronico. Con lo scopo di ottenere le microsfere bioattive, sono state esplorate diverse tecniche per la coniugazione peptide-polisaccaride e sono stati presi in considerazione svariati sistemi di rilascio di sequenze peptidiche. In particolare sono stati considerati tre peptidi noti per la loro bioattività: peptidi di tipo RGD, sequenza favorente l’adesione cellulare, un frammento della proteina BMP-2 (bone morphogenetic protein-2) in grado di promuovere il differenziamento di cellule mesenchimali ad osteoblasti e LL-37 peptide antimicrobico umano. Per ottenere un costrutto con proprietà bioadesive, gli sforzi sono stati volti ad un miglioramento dell’interfaccia fra le sfere di alginato/idrossiapatite e il tessuto osseo. Questo è stato possibile immobilizzando sulla superficie delle sfere dei peptidi contenti la sequenza RGD e assicurandone il gusto orientamento ed un’alta resa di immobilizzazione. Dopo aver testato diverse strategie chimiche, l’immobilizzazione effettuata sfruttando la formazione di un ponte disolfuro fra ChitLac preventivamente modificato con gruppi tiolici e un peptide contenente un residuo di cisteina, è stata valutata come la miglior strategia in termini di resa di reazione; allo stesso tempo le microsfere funzionalizzate in questo modo hanno dimostrato un’alta capacità di promuovere l’adesione e la crescita di osteoblasti in esperimenti effettuati in vitro. Un altro importante tema ha riguardato l’incorporazione di un frammento della proteina BMP-2 nel costrutto al fine di promuovere il differenziamento e quindi la proliferazione cellulare. La sequenza temporale degli eventi fisiologici, ha suggerito lo sviluppo di un sistema che risulta essere la somma di due diverse strategie di rilascio: la prima caratterizzata dal semplice intrappolamento del peptide in un sistema di sfere di alginato capace di un rilascio veloce, ed il secondo caratterizzato da un rilascio lento e costante ottenuto grazie all’azione idrolitica di esterasi. Questo è stato possibile inserendo un legame enzimaticamente idrolizzabile nella struttura contenente il frammento di BMP. Questa seconda strategia ha sfruttato una chimica altamente selettiva quale la “click chemistry”. La sintesi della molecola spaziatrice recante un legame enzimaticamente idrolizzabile è stata effettuata partendo da un γ-valerolattone. Questo spaziatore è stato inoltre progettato per recare un gruppo terminale funzionale adeguato per le reazioni di click chemistry ed è stato legato al ChitLac. La reazione di cicloaddizone è stata poi effettuata fra il ChitLac funzionalizzato con lo spaziatore e il frammento di BMP anch’esso opportunamente funzionalizzato. L’idrolisi enzimatica è stata verificata, inoltre è stata eseguita un’esaustiva caratterizzazione tramite NMR ed elettroforesi capillare. E’ stata poi presa in considerazione l’incorporazione di peptidi antimicrobici nel costrutto. Partendo da dati di dicroismo circolare riguardanti l’influenza che alcuni polisaccaridi hanno sulla conformazione del peptide LL-37 in soluzione, è stata riconosciuta alla miscela LL- 37/alginato la capacità di modulare la citotossicità del peptide. La miscela ha inoltre dimostrato la capacità di mantenere l’attività antimicrobica su batteri Gram negativi e questo ci ha spinto a considerarne l’applicazione su costrutti solidi con finalità ortopediche. In quest’ambito è stato escluso, da esperimenti in vitro, un effetto causato dal semplice contatto fra cellule o batteri e una superficie di alginato caricato col peptide. L’unico possibile meccanismo di rilascio riscontrato in un costrutto di alginato/LL-37 è stato tramite la degradazione di questo. Infine, il costrutto è stato assemblato incorporando le microsfere disidratate in una soluzione concentrata di acido ialuronico, ottenendo un costrutto dall’aspetto simile ad una pasta che è in grado di facilitare il processo di iniezione del riempitivo. Misure di tipo reologico hanno indicato in incremento della componente viscoelastica aggiungendo il particolato nella soluzione di acido ialuronico, questo generalmente è associato ad una buona capacità di recuperare l’elasticità dopo l’iniezione il che è un requisito richiesto ai biomateriali usati come riempitivi ossei. I risultati ottenuti hanno dimostrato l’applicabilità del composito come sostituto osseo dotato di proprietà bioattivite (osteoconduzione, osteoinduzione, bioadesività ed effetto antimicrobico su ceppi di tipo Gram negativo).
Bone regenerative medicine is considered a potential therapeutic option for the healing of damaged bone tissue. A variety of synthetic bone graft substitutes have been investigated as alternative to current tissue based bone graft materials. In this study efforts have been made to achieve an injectable material to fill bone defects. We have designed composite injectable filler by using polysaccharides as biodegradable materials, and by functionalizing them with bioactive elements such as adhesion mediators, osteoinductive growth factors and anti-microbial peptides. The final construct is represented by a two-phase composite, whose parts have been initially built separately. The structure was thought as composed by bioactive alginate/hydroxyapatite dried microbeads functionalized with peptides, suspended in a concentrate hyaluronic acid solution as the matrix vehicle. With the aim to obtain bioactive alginate/HAp beads, different techniques of peptides-polysaccharides conjugation were considered and different peptide delivery systems were explored. In detail the peptides considered were three, the RGD active sequence with bioadhesive properties, a fragment of BMP-2 (bone morphogenetic protein-2) that promotes the differentiation of MSCs into osteoblasts, and LL-37 a human antimicrobial peptide. In order to obtain a construct with bioadhesive properties, efforts have been made to improve the tissue-alginate/HAp beads interface by immobilizing RGD peptide sequence in a manner that assure the right motif orientation and high yields. After having tested various chemical strategies, the immobilization by disulfide bridge formation between a ChitLac previously modified with a thiol group and a peptide containing a cysteine residue was evaluated to be the best in terms of yield; at the same time μbeads functionalized in that way exhibit a very high osteoblast adhesion and growth promotion in in vitro experiments. Another important topic regarded the incorporation of BMP-2 epitope fragment into the construct, to enhance differentiation and proliferation. Time-tuned physiological functionality suggested the development of a system being the sum of two delivery strategies: the first characterized by simple entrapment in alginate beads for a fast burst release and the second one giving a slow and constant release, obtained by the action of bone esterases on an enzymatically cleavable linker. This second strategy exploited a high selective chemistry such as that of click reactions. Starting by a γ-valerolactone the synthesis of the enzymatically cleavable spacer was performed. The linker was designed to contain a final functional group for click chemistry. It was bound to ChitLac and then to a modified BMP fragment by a click reaction. Enzymatic cleavage was verified and an exhaustively characterization by means of NMR and capillary electrophoresis was performed. The incorporation of antimicrobial peptides was also taken into account. Starting from the information gained by circular dichroism data on the influence on LL-37 conformation given by several polysaccharides, an optimal modulation activity of the cytotoxic effect of LL-37 was found using the peptide/alginate mixture. The demonstrated maintenance of antimicrobial activity on Gram negative strains drove to an application on solid constructs for orthopaedic applications. An effect caused by the simple contact between cells or bacteria and alginate surface loaded with the peptide, was excluded by in vitro experiments. The only possible release mechanism that an LL-37/alginate construct was able to show was related to the degradation of this one. Finally, the whole construct was assembled by incorporating the dried microbeads in a concentrate hyaluronic acid solution, obtaining a paste-like construct that can facilitate the injectability of the particulate. Rheological measurements indicated an increment of the viscoelastic component by adding particulate into hyaluronate solution; this, generally, is associated to a good capacity to regain the elasticity after the injection, as expected for a biomaterial for bone filler applications. The results collected demonstrate the applicability of the obtained composite as bone graft substitute with bioactive properties (osteoinduction, osteoconduction, bioadhesivity and antibiotic effect on Gram negative strains).
PhD cycle: XXII Ciclo
PhD programme: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN BIOMEDICINA MOLECOLARE
Description: 2008/2009
Keywords: injectable bone filler
bioactive peptides
polysaccharides
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: BIO/10 BIOCHIMICA
NBN: urn:nbn:it:units-8962
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