Riassunto analitico
L’infarto miocardico (MI) è definito come la necrosi di cellule cardiache, dovuta al mancato apporto di sangue. In seguito, la cronicità di risposte infiammatorie instaura processi che spesso causano l’arresto cardiaco. Nei pazienti che sopravvivono a MI, terapie farmacologiche e tecniche di rivascolarizzazione migliorano la qualità della vita; tuttavia, questi trattamenti non offrono una vera cura per il muscolo, garantendo solo l’alleviamento dei sintomi. Pertanto, sono studiate cure innovative, basate sulla rigenerazione cardiaca, come la terapia cellulare e proteica. Nella loro sperimentazione clinica, sono però sorti problemi, come un ridotto attecchimento cellulare al tessuto o la degradazione in vivo delle proteine. Per risolvere tali questioni, l’uso di drug delivery systems (DDSs) è molto promettente. Fra questi, gli idrogeli (HGs) rappresentano un approccio innovativo, viste la loro biocompatibilità, duttilità e possibilità di veicolare cellule e biomolecole. Inoltre, possono fungere da scaffolds per la rigenerazione strutturale cardiaca. L’acido ialuronico (HA), principale componente della matrice extracellulare, possiede caratteristiche uniche per la medicina rigenerativa. Per questo, è stato soggetto a diverse modifiche chimiche, mirate ad aumentarne l’impiego. Recentemente, derivati dell’HA sono stati ampiamente studiati, per migliorarne proprietà meccaniche e ridurne la biodegradazione. Inoltre, la ricerca di HGs iniettabili risponde alla crescente necessità di approcci poco invasivi per la veicolazione locale di agenti terapeutici. Una strategia per migliorare le proprietà meccaniche dell’HA potrebbe essere la funzionalizzazione con la β-ciclodestrina (β-CD), che può eventualmente includere molecole ospiti – es. adamantano (Ad) – nella sua cavitá idrofobica. Un altro tentativo potrebbe essere l’impiego di interazioni guest-host (GH). L’HG, principalmente composto da HA, ma modificato sia con la molecola host (β-CD) che con la guest (Ad), possiede proprietà interessanti: infatti, quando l’HG è iniettato, le interazioni vengono a mancare, ma si riformano rapidamente quando la forza è rimossa. L’obiettivo principale della tesi è lo studio di HGs a base di HA, come DDSs per il trattamento del MI. Il progetto consiste nello studio di quattro HGs: 1) HA-CD, 2) HA-Ad, 3) HA-CD + HA-Ad, con interazioni GH 4) HA-Ad + β-CD libera, con interazioni GH. Gli HGs sono stati sintetizzati, preparati, caratterizzati per grado di funzionalizzazione, degradazione e iniettabilità attraverso cateteri cardiaci. Per sintetizzare HA-CD, la catena principale è stata modificata con una sostituzione nucleofila, mentre Ad-HA è stato ottenuto con una sostituzione nucleofila acilica. Per lo studio dei prodotti, dell’interazione GH e del grado di modifica è stata utilizzata la spettroscopia NMR. Inoltre, la velocità di degradazione degli HGs è stata caratterizzata con due saggi. Mentre uno misura la quantità dell’acido uronico (componente dell’HA) tramite reazione colorimetrica, l’altro valuta la progressiva perdita in peso di ogni HG, in seguito alla degradazione. Lo studio offre risultati positivi per la sintesi degli HGs, per quanto riguarda la buona resa, l’utilizzo di condizioni semplici e brevi tempi di reazione. L’HA è stato modificato al ~15% per HA-CD e al ~3% per HA-Ad. Gli HGs hanno poi evidenziato buone proprietà di iniettabilità attraverso una siringa insulinica, dimostrando quindi di poter essere iniettati con cateteri cardiaci. Nello studio di degradazione, HG con GH ha mostrato una velocità di degradazione minore rispetto a HA-CD e HA-Ad soli, mentre il profilo di degradazione di HA-Ad + β-CD si è rivelato il più rapido. Complessivamente, Il progetto fornisce ulteriori dati sullo sviluppo di HGs a base di HA, per la potenziale cura del MI.
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Abstract
Myocardial infarction (MI) can be defined as the necrosis of cardiac cells due to reduced blood supply. After this event, the chronic activation of inflammatory processes is maladaptive and usually progresses to heart failure. For patients who survive a MI, pharmacological therapies and revascularization techniques have improved quality of life, with mitigation of symptoms. However, they do not offer a satisfactory cure for the damaged muscle. In this regard, innovative treatments focused on cardiac regeneration are being investigated, such as cell and protein therapy. Despite their potential, several problems have occurred during their clinical evaluation, such as poor cell engraftment or protein degradation.
To overcome these issues, the use of drug delivery systems is promising. Among them, hydrogels (HGs) are valuable tools in tissue engineering (TE), due to their compatibility, tunable mechanics and ability to deliver cells and biomolecules. Moreover, they can be considered as proper scaffolds for the restoration of the structural features of the cardiac tissue.
Hyaluronic acid (HA), the main component of the extracellular matrix, presents unique features for regenerative medicine. As such, HA has been subjected to different chemical modifications, aimed at expanding its application. In recent years, HA derivatives have been extensively studied, with the purpose of improving their mechanical properties and reducing their rapid biodegradation. Moreover, the design of injectable HG systems addresses the growing demand for minimally invasive approaches for local delivery of therapeutics.
A possible strategy for improving the mechanical properties of HA could be its modification with β-cyclodextrin (β-CD), possibly including guest moieties - e.g. adamantane (Ad) - into the hydrophobic cavity of the molecule. Another promising attempt could be the use of guest-host (GH) hydrophobic interactions. The HG, composed of HA as the polymer backbone, but modified with both the host molecule (β-CD) and the guest one (Ad) could offer interesting properties, e.g. GH associations disassemble when ejected through a syringe and rapidly reassemble upon cessation of shear.
The objective of this thesis is to develop HA-based HGs with the potential to be used in heart TE applications. The project consists of a study of four different HGs: 1) HA-CD, 2) HA-Ad, 3) GH assembled HA-CD with HA-Ad, 4) HA-Ad added with free β-CD. The HGs were synthesized, prepared and characterized in terms of the degree of functionalization, degradation and injectability through cardiac catheters.
To synthesize HA-CD, the main backbone was modified with nucleophilic substitution, while via nucleophilic acyl substitution, Ad-HA was obtained. The synthesized products, the GH interactions and the degree of modification were studied with NMR spectroscopy.
Moreover, the HG degradation rate was characterized by two assays. While one measured the amount of uronic acid (a component of HA) with a colorimetric reaction, the other quantified the loss of weight of each HG, due to its degradation.
The study provided positive results in the HG synthesis, in terms of good yield, use of simple conditions and short duration of the protocol.
The modification of HA was ~15% for HA-CD, and ~3% for HA-Ad. The HGs also showed valuable features of injectability through an insulin syringe, demonstrating good potential to be delivered via minimally invasive approaches such as cardiac catheters. In the degradation study, GH HGs showed a lower degradation rate than HA-CD and HA-Ad alone, while HA-Ad + β-CD had the fastest degradation profile. Overall, this project provides additional data about the development of HA-based HGs for the potential treatment of MI.
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