豚の心臓にローカルカテーテルを注入するための注射や薬物を装填した超分子ヒドロゲル

要約

ウレイドピリミジノンに基づく超分子hydrogelatorsは巨視的なゲル特性およびpHを使用したゾル - ゲル切り替え動作を完全に制御することができます。ここでは、ブタの心臓における関連分野での直接局所送達のためのカテーテル送達システムを介して、このような超分子ヒドロゲル化を策定し、及び注入するためのプロトコルを提示します。

要約

失われた心筋の再生があるため、慢性虚血性心不全の増加が発生し、ドナーの心臓へのアクセスが制限され、将来の治療のための重要な目標です。心臓の機能を回復する治療法の例は、ヒドロゲルからの薬物および生物活性物質の局所送達で構成されています。本論文では、この方法は、策定し、非侵襲的かつ側固有の長い、柔軟なカテーテルを用いて豚の心臓への薬剤を装填したヒドロゲルを注入するために導入されます。カテーテルを介した3次元電気機械的マッピングおよび注射の使用は、心筋の側に固有の処理を行えるようにします。このカテーテルと互換性のヒドロゲルを提供するために、超分子ヒドロゲルがあるため、環境トリガーを使用して溶液状態のゲルからの便利な切り替えが使用されます。塩基性pHでは、このウレイド - ピリミジノン変性ポリ（エチレングリコール）を容易に注入することができるニュートン流体として作用するが、生理的pHで溶液を迅速に切り替えますゲル。我々は、in vitroおよびin vivo実験の両方に存在するように、ここで、これらの穏やかなスイッチング条件は、成長因子およびエキソソームなどの生物活性薬と生物活性種の取込みを可能にします。 インビトロ実験は、ゲルのチューニングを可能にし、 生体内でのその後の適用の前に特性を解放ゲル安定性および薬物放出のフォアハンド指示、に与える。この組み合わせを使用し、生物活性化合物をゲルの最適なチューニングを可能にし種、及び注入システム。

概要

急性心筋梗塞の治療を大幅に生存率を改善しているが、慢性虚血性心不全の高齢化と共に進行する主要な公衆衛生問題です。 2030 ^1,2における有病率の推定25％の増加と米国で約600万心不全患者があります。心筋組織の初期の喪失は、心臓リモデリングをもたらし、最終的に慢性心不全を引き起こします。心臓移​​植を除き、この群の患者には本当の治療法はありません。ドナー心臓の増加欠点は、リモデリングのこのプロセスを逆に利用可能な新しい治療法を開発する必要性を強調しています。したがって、今後の治療の目標は、失われた心筋の再生です。

ヒドロゲルは、それらの生体適合性の再生医療の分野において興味深い材料であり、外部トリガ³に対する感受性。注射用ヒドロゲルは、広告を提供しています最小侵襲手術⁴におけるそれらの使用における非注射用ヒドロゲルオーバーvantages。これらの注射可能なヒドロゲルは、生理学的条件⁵内に、それらのswitchabilityをシリンジを介して印加される、カテーテルベースの注入が^6に近づくために、原則的に可能にすることができます。異なる戦略は、温度、pHおよび剪断減粘挙動^4,7,8のいずれかによって、注射後、化学的架橋から物理的架橋に至るまで、注射可能物質のために使用されています。いくつかのシステムでは、注射器^9,10を介して容易に注射を示しているが、完全な互換性カテーテルは、多くの場合^、6示されていません。

超分子ポリマーから調製されたヒドロゲルは、環境的トリガー^11を用いて、非共有結合性溶液状態にゲルから簡便に切り替えることができる相互作用、およびその逆によって形成されます。さらに、低分子量の前駆体は、簡単な加工の^12,13を可能にします。そのような成長因子を処理することはしばしば困難などの様々な生物学的活性成分の添加を可能に切り替えるために必要な穏やかな条件。

ポリ（エチレングリコール）（PEG）に基づく水中で超分子一過性のネットワークは、ウレイド-ピリミジノン（UPy）で末端が変性¹⁴部分の生物医学的用途と組み合わせて、非共有結合性相互作用の利点を示しており、薬物送達システムとして使用されています心臓⁶および腎被膜¹⁵の下。これらのネットワークは、疎水性ポケットを形成するアルキルスペーサーによって水性環境から保護UPy基の二量化により形成されます。尿素の水素結合は、ナノファイバーへのこれらの二量体の後続の積み重ねを容易にします。 pH及び温度は、ゲルに溶液から切り替えるために使用することができるため、UPy UPyダイマーの可逆的相互作用、例えば、トリガー。合成モチーフの使用は、試験のことで、分子の設計およびゲル特性を可能にしますPEG鎖アルキルスペーサー^14,16のPLEチューニング長。

さらに、いくつかの生物活性成分は、それぞれ、例えば、成長因子またはエキソソームとして、薬物または生物活性種と、単に注入前に、超分子ヒドロゲル化溶液を混合することによって組み込むことができます。エキソソームは、細胞質ゾルの誘導体が含まれている小さな膜小胞です。それらは、多くの細胞によって分泌され、細胞間コミュニケーションに関与しています。心筋前駆細胞に由来するエキソソームは、心臓保護¹⁷において役割を果たすことが示唆されています。

ここでは、製剤のプロトコルを記述し、そのような生物活性超分子ヒドロゲルの生体内心筋注射で。in vitro実験は、ゲルのチューニングを可能にするゲル安定性および薬物放出のフォアハンド表示、に与え、前にプロパティをリリースに記載されていますin vivoでのアプリケーション。

プロトコル

注：すべてのインビボ実験は、実験動物資源研究所のケアと実験動物の使用に関する指針に従って行いました。実験はユトレヒト大学の薬学部の動物実験委員会、オランダによって承認されました。

ハイドロゲルの1製剤

1. 、10重量％のゲルを1ml調製マグネチックスターラーを用いて1時間70℃で攪拌した900μlのPBS pHは11.7でバイアルにUPy、ヒドロゲル化剤100mgを溶解します。その後、室温に粘性溶液を冷却します。ソリューションは現在、約9.0のpHを有するべきです。この溶液は、数日間保存することができます。
2. 粘性溶液に中性PBSに溶解された薬物または生体分子の適切な量をピペットで均一な分布に到達するために10分間攪拌します。溶液が粘稠になりすぎる場合は、すぐにお湯でそれを温めます。
3. 滅菌するためにUVランプの下で1時間のためのソリューションを配置します。

ハイドロゲルの2分析

1. 溶液のレオロジー評価
   1. ゲルをロードする前に、レオメーター25mmの板 - 板形状をマウント、20℃に温度を設定し、測定中のゲルの蒸発を防ぐために水でプレートを読み込みます。
   2. 20℃に維持レオメーター上の25ミリメートルプレート - プレート幾何形状上に溶液のピペット300μlの0.5ミリメートルのギャップ距離を得るためにプレートを下げます。
   3. 十年ごとに10ポイントと0.1から500 PAにせん断応力の関数としてのレコードせん断粘度。
2. ゲルのレオロジー評価
   1. プレート上に溶液をピペットで300μlのゲル形成を誘導するためのソリューションの異なる場所に1 M HClを4.2μlの合計をピペット。
   2. 0.5mmのギャップ距離にプレートを下げ、約30分間ゲル硬化をさせ。この硬化プロセスの間に、それぞれ例えば、低周波数および歪みで1ラジアン/秒および0.5％を貯蔵および損失弾性率を測定します。
   3. ゲルは、（後に約30分）、レコード格納および損失弾性率の周波数（0.1ラジアン/秒）の関数として、その後、株（0.1-1,000％）の関数として、硬化した後。

3.侵食およびリリース実験

1. 細孔径が8.0μmで24ウェルプレート用の細胞培養インサートをぶら下げ、ポリ（エチレンテレフタレート）への薬剤または生体分子を含む粘性溶液100μlを移します。液相にある間にポリマー溶液の漏出を防止するために、パラフィルム（ 図2A）とインサートの底部を覆います。
2. その直後に、約7.0〜7.2のpHを低下させ、約30分間のインサート内のゲル硬化をできるように粘性溶液の上に1 M HClを1.4μLをピペット。
3. あちこちにパラフィルムを削除インサートメートル、24ウェルプレート中の挿入を置き、十分と800μlのpH7.4のPBSを埋めます。低速揺動または振盪動きながら37℃でプレートをインキュベートします。溶媒の蒸発を防止するために、PBSで空のウェルを残り記入し、パラフィルム（ 図2B）で24ウェルプレートをシール。
4. 定期的にPBSを更新し、リリースしUPy侵食製品または薬物/生体分子のために取り出し、PBSを分析。
   1. それぞれ265ナノメートルまたは320 nmでのUV吸光度を測定することにより、UPy侵食製品またはピルフェニドンを定量化します。 559 nmでの励起後の587 nmでの蛍光タンパク質mRuby2メジャー蛍光発光のため。
   2. 所定の較正曲線を介して濃度を測定した吸収/排出値を翻訳します。
      1. バッファ中の分析物の既知の濃度の一連の溶解検量線を準備し、UV吸光度またはこれらのサンプルの蛍光発光を測定します。 DETの一次関数を使用してデータを補間未知試料の濃度をオコジョ。非蛍光タンパク質についてELISA検出^6を使用しています。

カテーテルを介し4.局所注射

1. 心筋梗塞の誘導
   1. 空腹時の12時間後、水を除く、ミダゾラム0.4 mgの/ kgのケタミン10mg / kgのアトロピン0.014ミリグラム/ kgを筋肉内に注射することによって、その安定した中で豚を鎮静。
   2. ナトリウムチオペンタールを5mg / kgを静脈内麻酔を誘導し、気管内チューブで豚を挿管する管理します。手術室に動物を輸送しながら、必要に応じて、12 /分の速度でバルーン換気を行います。
   3. 手術室に到着するとすぐのFiO ₂ 0.50、10ミリリットル/ kgの一回換気量、および連続カプノグラフィーの下12 /分の周波数で機械的陽圧換気を開始します。乾燥を防ぐために、目に獣医軟膏を使用してください。
   4. 連続intravenでバランス麻酔を開始ミダゾラムは0.5mg / kg /時間のOUを注入、スフェンタニルを2.5μg/ kg /時間と臭化パンクロニウムは0.1mg / kg /時間。適切な麻酔を確実にするために継続的に心電図、動脈圧、温度とカプノグラフィーを監視します。
   5. 静脈内に4.3 mgの/ kgのアミオダロンを注入し、静脈sheeth ^18を使用して、右心室に心腔内除細動カテーテルを配置します。
   6. 以前に記載されたプロトコル¹⁸によれば、90分間、冠動脈内バルーン閉塞することにより、第2対角枝に左前下行枝（LAD）遠位を閉塞します。
2. 電気機械的マッピング
   1. 心筋梗塞後4週間目に、マッピング手順を計画します。左心室の3D電気機械的マッピング（EMM）のためcathlabシステム（ 図4）を準備します。このシステムでは、実行可能な冬眠と梗塞心筋を透視することなく特定することができます。このようなEM-マップを作成するには、それ自体を取得します超低磁場エネルギー源とセンサが先端に付いたカテーテル^19,20を使用して、LV心内膜表面上の複数の位置での点のリース。
   2. プロトコル手順に従って、豚を麻酔4.1.1-4.1.4。
   3. 豚の背面に外部基準パッチを配置します。
   4. プロトコル¹⁸に従って血管アクセス（大腿動脈）を固定します。
   5. 25°右前斜位（RAO）と40°の左前斜位（LA）ビューで複葉左心室造影像を取得した後、ヘパリンの75 U / kgで与え、心室の大きさを残した推定します。
   6. 左心室（LV）に下行大動脈、大動脈弓および大動脈弁を横切って透視下で8フレンチ·マッピング（DまたはFカーブ）カテーテルを進めます。
   7. ventriの境界を画定する、3Dシルエットを形成するために、流出路、横方向と後方の点に続く最初のデータを取得するためのLVの頂点にカテーテルの先端を向けますCLE。
   8. すべての心内膜のセグメントが心内膜上にマッピングカテーテルをドラッグして順番に心内膜^21,22と接触している間先端の位置を取得することでサンプリングされるまで、後続のポイントを取得します。
   9. 電気的活動が損なわ（近く）正常および機械的な動き、いわゆる冬眠心筋（ 図6）である場合つまり、ターゲット領域を定義します。
3. 心筋内注入
   1. 27ゲージの針と8フレンチカテーテルの内側コア内腔（ 図5AおよびB）で構成されている心筋内注入カテーテルによってマッピングカテーテルを交換してください。具体的な量を送達するために、ヒドロゲル溶液の約2 mlの容量傾斜シリンジをロードし、シリンジポンプに配置します。
   2. 0°と90°フレックスで針拡張機能を調整し、針デッドスペースを埋めるために、ヒドロゲル溶液0.1mlを配置します。そして、配置注入カテーテル先端大動脈弁を横切って、ターゲット領域へ。
   3. 4.2.9で決定された対象エリア内の注入位置については、次の条件満たす：LVの壁にカテーテルの（1）の垂直位置を、 （2）優れたループ安定性（<4ミリメートル）EMM-システムによって計算されました。および（3）基礎となる電圧> 6.9 mVの^21。
      1. 心筋に針を進め、（4）LVの心室性期外収縮により確認し、シリンジポンプを用いて約0.4〜0.5ミリリットル/分の一定速度でのボーラスでヒドロゲルの0.1〜0.3ミリリットルを注入します。できるだけ拡散などの6〜10の異なる位置でこれを繰り返します。組織の自然のpHは、ヒドロゲルを形成する際に注射した後、溶液を中和します。
4. 犠牲
   1. 後手順は、人道的に放血により動物を生け贄に捧げます。下大静脈を切断して吸引装置で血液を除去します。心室Fiを提供して誘導します頂点に9 Vバッテリーを配置することによってbrillation。

結果

溶液およびゲルの両方で振動レオロジー測定から得られた典型的な結果を図1に示されている。長いカテーテルを通して注射のために、低粘度のニュートン流体であることが望ましいです。粘度は、pH8.5の溶液は、剪断減粘性であることを示すが、0.54と0.36 Paの一定の粘度·秒によって証明されるようにpHが9.0と9.5で溶液はとしてニュートン流体の挙動、せん断速度の関数として測定した、それぞれ（ 図1A） 。サンプルを中和した後、サンプルを、<1（ 図1B）「損失弾性率G "及びtanδを従って= G" / Gよりも大きい「貯蔵弾性率Gによって観察された固体状の応答を示します。ゲルが30分以内にその最終強度を取得します。振動レオロジー測定は、角度FREQのほぼ独立したG 'を有する典型的な固体のような反応を示しますuencyと測定された全ての周波数に対してG '> G "（ 図1C）。

薬物送達システムとしての使用のための必須の経時ヒドロゲルの侵食です。超分子相互作用は本質的に動的であり、in vitroでのゲルのゆっくりと侵食を可能にします。侵食および放出実験は、多孔ウェルインサート（ 図2AおよびB）を用いて37℃で実施されます。疎水性及び親水性ブロック¹⁴の長さを調整することにより、数週間の期間にわたって侵食ゲルは、（ 図3A）を得ることができます。ゲルはおそらくヒドロゲルの初期膨潤に、最初の日には10％の初期侵食で2週間で25％を侵食します。例としては、小分子薬物（ピルフェニドン）、およびモデル蛍光タンパク質（mRuby2）の放出の放出の両方を検討しました。蛍光モデルタンパク質は、簡単に読み出しを可能にします。しかし、in vitroで 放出実験はまた、定量⁶に対するELISAを使用して、他のタンパク質に対して実行することができます。タンパク質などの大きな分子が徐々に1週間（ 図3B）にリリースされている間、小分子薬剤は、一日以内に放出されます。半経験的Korsmeyer-Peppasモデルで60％放出までmRuby2の放出プロファイルをフィッティング拡散による放出を示した（n = ^0.44）23。 （適応）Korsmeyer-Peppasモデルにオフセットが存在しないことはmRuby2 ²⁴にはバースト放出が存在しないことを示しています。そのためピルフェニドンのリリースよりも低い60％とのデータポイントの限られた量の、何のフィッティングは、このリリースのプロフィールに行いませんでした。

カテーテルナビゲーションシステムは、通信部コンソールワークステーション（図4）、外部基準パッチと三角位置パッド（低磁場を発生）、及び2つのカテーテル、センサ先端マッピングおよび充血で構成されn個のカテーテル（図5）。

後処理解析が不安定点をろ過した後、LVの3D心内膜再構成は、それぞれの新しいデータポイントの取得とリアルタイムで更新され、連続的に段階的なカラースケール（ 図6A）にユニポーラとバイポーラ電圧電位として表示されます。局所線形短縮（LLS）関数は、収縮末期及び拡張末期にサンプルサイトと隣接点間の距離の平均値の変化を求めることにより、局所壁運動を定量化します。平均電圧とLLSの値は、セグメントごとに計算され、ポーラーマップに表示されます。（図6B）。異常または低ユニポーラ電位（≤6MV）と障害機械的活動（LLS≤4％）の存在は、梗塞領域^22を特徴づけます。

図1 :.ソリューションとゲルのレオロジー評価。異なるpHでのソリューションのための剪断速度の関数として、（A）粘度。 pH8.5のずり減粘が認められた時のサンプルについてのpHが、9.0でサンプル9.5定数粘度のためには、これらの溶液のニュートン挙動を示し、得られます。 （B）ゲル硬化時間の関数としてタンδをプロットしました。 （C）2時間の硬化後に中和サンプルの周波数掃引。エラーバーは、標準的な実験誤差を示す、3つの独立した測定値の標準偏差を示します。

図2：分解のためのセットアップおよび実験を解放（A）ポリ（エチレンテレフタレート）がよく挿入漏れdurのを防ぐためにパラフィルムで覆われて準備をる。溶媒の蒸発を防ぐためにパラフィルムで包まれたインサートを有する（B）24ウェルプレート。

図3：時間をかけてヒドロゲルの侵食およびリリース（A）侵食。少なくとも2週間のゲルの漸進的侵食が観察されます。 （B）の小分子薬物とモデルタンパク質のリリース。小分子は1日以内に放出されているが、モデルタンパク質は、徐々に重要なバースト放出なしで週にわたって放出されます。ラインは、リリースの初期段階にKorsmeyer-Peppasモデルのフィットを示しています。

図4のカテーテルのナビゲーションシステム。 通信ユニットコンソール。

図5：（A）付きシリンジで心筋内注入カテーテル。 （B）注射針の詳細。

図6：ユニポーラ電圧とLLSマップ 。 （A）ユニポーラマップ、LAO図（上）と（下）ブルズアイ。赤色は電気的活動の後側部の喪失と心筋ベース（ノーマル）で低ユニポーラ電圧値を示しています。緑と黄色の色が減少した生存率を示す一方で、青色は、正常な心筋を示しています。 （B）LLSマップ、LAO図（上）と（下）ブルズアイ。赤い色のインディカ緑と黄色の後外側壁でのTES無動は、減少した壁運動を示しています。マッピング点は白丸で示されています。描かれた白い線が減少し、ユニポーラ電圧と障害のある壁の動きによって特徴付けられる、関心のある領域を示しています。ブラウン点は注射部位を表します。

ディスカッション

重要な課題は、生物活性化合物と適合性の溶液を維持しながら、長いカテーテルを通して注射可能である溶液を得ることです。 pHが注入を増加するために増加されるべきであるが、成長因子などの生物活性化合物を慎重に扱うべき脆弱な分子です。我々は密接にそれが任意の生物活性成分を添加する前に、pHが9.0であることを確認するためにヒドロゲル化剤を加えた後、pHメーターを用いて溶液のpHを監視します。最初に、PBSの出発pHを調整するいくつかのラウンドは、右のpHで終了する必要がありました。我々は比較的粘性の溶液と長い細いカテーテルを使用しているためまた、大きな圧力降下が（注射の速度に応じて、0.5 MPaでの順序で）存在しています。そのため、特別なケアは、注射器とカテーテルとの間の正しい接続を選択する際に注意すべきです。手でこのような力を適用することが困難であるとして、シリンジポンプは、制御された注入をサポートしています。ためでvitrインビボでは、この組織の自然のpHによって行われ、一方O実験は、溶液は、塩酸で溶液を中和してゲル化しました。したがって、pHのオーバーシュートを防止するために、塩酸の適切な量を追加することが重要です。この酸の拡散は、おそらくin vitroの実験ではハイドロゲルのゲル化の制限要因です。しかし、in vivoでの液体は、組織、より速く、より均一にゲル化濃酸を滴下することに比べてであろう可能性が最も高い結果を中和して高い接触表面積を有することになります。また、ゲルの切り替えがはるかに速く、以前に使用された方法（2時間対0.5時間^）25と比較して、この穏やかな手順です。材料特性の切り替えのための身体の自然のpHを使用すると、移行が迅速なであることから、可逆的、非常に魅力的であるカテーテル内部で発生することができず、 生体内で完全に自動化されています。これらの特性は、 例えば 、熱SWITに勝る利点を与えますchable温度変化によるカテーテルにおけるゲル化の危険性が存在するゲル^26、により制限された光の透過及びラジカル形成²⁷に困難である光誘起重合を必要とゲルまたは重合開始剤の同時注入を必要としたゲルまたはaccellerator ^28。

ヒドロゲルからの薬物の放出に成功は、主に、薬物の大きさに依存します。示されるように1週間以上モデルタンパク質の緩やかな放出は、成長因子の送達系としてのこれらのヒドロゲルの約束を示しているが、小分子薬物が直ちに放出されます。一般に、ヒドロゲルは、タンパク質、エキソソームおよび細胞^29,30のような大きなオブジェクトの送達ツールとしてより有望です。

3次元電気機械的マッピングおよび注射の手順は、ヒドロゲルなどの様々な心筋再生治療のための臨床的に検証されたカテーテルベースの​​送達方法を提供します。 ADDE他の非外科的送達技術と比較して、この技術のd値は、それが可能な、通常の梗塞と冬眠心筋を区別するために、目的の領域に治療を案内すること、治療計画です。このアプローチの問題の欠点に必要な技術的なスキルと時間と費用のかかる手順^20。心筋梗塞電気機械マッピングの提示ブタモデルでは、生物活性超分子UPyヒドロゲルと導か心筋内注射が続きました。再生治療と他の組み合わせは、 インビトロおよびこの新興分野でより多くの成功を得るためにインビボで試験されなければなりません。また、注入および滅菌手順の最適化に成功し、臨床現場にこの方法を翻訳するために実行する必要があります。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
1 M HCl
1 M NaOH
Polystyrene 24-well 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 115 cm	Biosense Webster
Midazolam	Actavis
MilliQ	MD Milipore MilliQ Integral Water Purification System
mRuby2
NaCl 0.9% 500 cc	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 100 mM stock in DMSO
Sodiumthiopental	Inresa
Sufentanil	Sufentanil-Hameln
Tegaderm
UPy-PEG10k
UV-Lamp
Vet ointment
Visipaque contrastfluid 100 cc