PLURONICS 1 7.2a Pluronics ® (BASF) Famiglia di block copolymers non ionici ed anfifilici Molecole...

PLURONICS17.2a

PluronicsPluronics®®

(BASF)(BASF)

Famiglia di block copolymersnon ionici ed anfifilici

Molecole o unimeri a tre blocchi

(EO)(EO)xx(PO)(PO)yy(EO)(EO)xx

OH

O

O

O

Hx

x

y

Centro idrofobo

Estremità idrofileAmpia disponibilità

Inerzia chimica e biologica

Significative proprietà di solvente

Buona solubilità in acqua

Caratteristiche osmotiche controllate

Proprietà di superficie definite

PluronicPluronic®® grid grid

Pes

o m

ole

cola

re d

i PP

O(t

ra 9

50 e

400

0 D

a)

Contenuto percentuale in peso di EO(tra 10 e 80%)

Paste

Liquidi

Flakes

Area“best gelformation”

PLURONICPLURONIC®® F127 F127

(EO)(EO)9999(PO)(PO)6565(EO)(EO)9999

MW ≈ 12600 Da%EO ≈ 70%

Micellizzazione dei PluronicsMicellizzazione dei Pluronics®®

Aumento della temperatura Aggregazione in MicelleCMTCMT

Basse temperature Unimeri in soluzioneMolecole idratate

(legami H)

Corona micellareCorona micellarePEOPEO

Hydrophobic coreHydrophobic corePPOPPO

Parametri strutturali(F127) Raggio idrodinamico Raggio idrodinamico ≈ ≈ 10 nm10 nm

Numero di aggregazione = 3 Numero di aggregazione = 3 ÷ 12÷ 12

Raggio del nucleo ≈ 7 nmRaggio del nucleo ≈ 7 nm

Gelation dei PluronicsGelation dei Pluronics®®

Soluzionemicellare

Aumento dellatemperatura

Aumento della frazione divolume occupata dalle micelle

VALORE CRITICOVALORE CRITICO= 0,53= 0,53

Packing di sferein struttura cristallinaa cella cubica semplice

Vistose variazioni dellegrandezze reologiche

Entanglementstra le corone micellari

Number increase

Volume increase

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

100000

14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

T [°C]

G', G''

[Pa]

G'

G''

Gelation termicaGelation termicacon cineticacon cineticaTWO STEPTWO STEP

Soluzione di F127 al 18%Soluzione di F127 al 18% Esame del campo di temperatura tra 15 e 37°C

RHEOLOGY

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

T (°C)

G'(

Pa)

P18

P18-A2P18-A2-C

P18-A2-L

ADDITION OF OTHER COMPONENTS:A alginate (2%)

L, C = liposomes

20 ms10°C

40°C

T(°C)

T2(ms)

I(-)

160 ms

1000 ms

14°C

LOW FIELD NMR: RELAXATION (T2)

WATER (84.2%)

PLURONIC (15.7%)

STRUCTUREDPLURONIC

Pluronic® F127 "non strutturato" e "strutturato"

0

10

20

10 20 30 40

T [°C]

Area Normalizzata

[%]

H2O

50

60

70

80

90

100

10 20 30 40T [°C]

Area normalizzata

[%]

5.0E-10

7.0E-10

9.0E-10

1.1E-09

1.3E-09

1.5E-09

1.7E-09

1.9E-09

2.1E-09

0 0.05 0.1 0.15

(td(s))0.5

DH

2O(m

2 /s)

T = 37°C

T = 30°C

T = 25°C

T = 20°C

T = 15°C

T = 10°C

LOW FIELD NMR: DIFFUSION (D)

ALGINATE - PLURONIC7.2bPREPARATION:

-Pluronic is slowly added to the water-alginate solution at 5°C

-The solution is let to rest 24 hours at 5°C

-The solution is heated up to room temperature (PLURONIC GELATION) -ALGINATE GELATION occurs for the addition of a bivalent cation solution

Bivalent solution spraying

Alginate + Pluronic solution

RHEOLOGY: Alginate 2% - Pluronic 18% (A2P18) [CuSO4]

1000

10000

100000

0.01 0.1 1 10 100 1000

w [rad/sec]

G', G'' [Pa]

G' exp

G'' exp

T = 25 °C = 3 Pa < 40 Pa

x =2.7*10-5 mole/cm3

= 5 nm

LF NMR: Alginate 2% - Pluronic 18% (A2P18) [CuSO4]

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000

T2 [ms]

a(T2)

A1

A2

T2,1

T2,2

A4

T2,4

A3

T2,3

Picco i

T2,i [ms]

Ai Normalizzata

[%]

1 3.40 51.88

2 11.40 21.47

3 98.62 5.74

4376.8

420.91

A2% CuSO4 (25°C)

PF127 18%(25°C)

mesh

74%

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 10 100[nm]

P()

Pluronic F127 18% -Alginato di Cu 2%

2% - CuSO4A2% CuSO4

T = 25°C

0.00E+00

5.00E-10

1.00E-09

1.50E-09

2.00E-09

2.50E-09

0 0.0525 0.105 0.1575

td0.5(s0.5)

D(m

2 /s)

PF127 18%

PF127 Al 18-2%

Linear Model

Not linear model

Latour Model

≈ 2

≈ 4

7.2c RESTENOSIS2,3

L’aterosclerosi è una forma di infiammazione delle arterie. Esso rappresenta la più comune causa di occlusione delle arterie.

Allo scopo di rivascolarizzare le arterie coronariche stenotiche, dal 1978 è stata introdotta la così detta “angioplastica coronarica transluminare percutanea” (PTCA).

La PTCA consiste:1) nell’avanzare un palloncino

montato su catetere sino all’area del restringimento coronarico

2) nel gonfiare il palloncino3) nel ritirare il catetere dopo aver

sgonfiato il palloncino

Purtroppo la PTCA induce una successiva restenosi del vaso

L’espansione del palloncino durante l’angioplastica è stata associata allo spiegamento di uno stent

Il dispiegamento dello stent ha significativamente ridotto la frequenza del recoil elastico e del successivo rimodellamento restringente del vaso, ma non ha evitato l’ispessimento neointimale (in-stent restenosi, ISR)

È stato quindi introdotto l’uso dei Drug Eluting Stents (DES) capaci di rilasciare nella parete dell’arteria un farmaco dalle proprietà antinfiammatorie, antitrombogeniche o antiproliferative

DES tradizionali

Late stent thrombosis following drug-eluting stent implantation: data from a large, two-institutional cohort study, Wenaweser & Tsuchida, World Congress on Cardiology, Barcelona, Spain, 2-6 September 2006 Increased mortality after implantation of first generation drug-eluting stents: seeing the smoke, where is the fire?, Wijns & Krucoff, European Heart Journal, 27, 2737-2739, 2006

Nuovi approcci Farmaci basati su acidi nucleici(NABD)

GEL PAVING

gel layer

intima

media

adventitia

endothelium

elastic lamina

elastic lamina

Stent strut cross section

blood flow direction

Coronary wall

diffusionconvection

elimination

drug

diffusion

Sezione dello stent Parete arteriosa

Lume

Coating rinforzato

Coating con principio attivo

Il principio attivo• Molecole basate su acidi nucleici (NABD) capaci di diminuire la proliferazione delle VSMC sopprimendo l’espressione di geni promotori del ciclo cellulare

• Tali molecole sono complessate con liposomi, vescicole costituite da lipidi anfifilici strutturati in doppi strati (spessore di circa 4 nm) che generano membrane delimitanti uno o più compartimenti acquosi al loro interno

MATHEMATICAl MODELLING

• Lo stent è immaginato come una successione di anelli circolari

• Simmetria rispetto alla coordinata , ovvero i profili di concentrazione sono:

C = C(R, Z, t) ∀

• Tramite il gel paving una fase gel viene applicata alla parete dell’arteria

• Viene realizzato un sistema a doppio layer: un gel forte a contatto col sangue e un gel debole a contatto con l’arteria(per esempio: pluronico + alginato)

Configurazione totally embedded Configurazione totally out

Sistema a bande

Sistema continuo

Ipotesi e approssimazioni

Nella definizione di un modello matematico che descriva il processo di rilascio dal sistema appena visto, sono state introdotte le seguenti ipotesi:• La fase gel non viene erosa dal flusso sanguigno• La distribuzione del farmaco nella parete dell’arteria dipende da fenomeni di diffusione, convezione e internalizzazione• La parete dell’arteria viene considerata un tessuto dalle caratteristiche omogenee• Si considera solamente il contributo radiale della velocità di convezione• Il farmaco può essere solamente o in forma solubile o legato irreversibilmente

bofffonZθ

RZ2CkCBk

Z

CV

θ

C

R

V

R

CV

Z

CD

11

Z

CD

RR

CRD

RRt

CR

kCR

CV

R

CR

RR

Dr

Z

C

ZDz

t

CR

DaCR

CPe

R

CR

RRZ

C

Zt

C 12

= R0/Z0

Pe = VRR0/DDa = kR0²/D

C+(t+), t+ = tD/R0²

Sistema continuo, assenza dello stent

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 2 4 6 8 10

Tempo adimensionale t+

Con

cent

razi

one

med

ia r

elat

iva

Da = 0

Da = 0,025

Da = 0,25

Da = 2,5

Da = kL²/D• k costante di internalizzazione• L lunghezza caratteristica (spessore arteria)• D diffusività del farmaco nell’arteria

Sistema continuo, assenza dello stent

Darteria / Dgel debole

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0 2 4 6 8 10

Tempo adimensionale t+

Con

cent

razi

one

med

ia r

elat

iva

Dart/Dgel debole = 0,01

Dart/Dgel debole = 0,1

Dart/Dgel debole = 1

• Darteria tenuto costante• Dgel debole viene variato• Dgel forte = 1/1000 Dgel debole

Sistema continuo, presenza dello stent

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Tempo adimensionale t+

Con

cen

traz

ion

e m

edia

rel

ativ

a

Fv = 1

Fv = 0,7 Nv = 12

Geometria dello stent • Frazione di vuoto V = 0.7, 0.8, 0.9, 1.0• Numero di vuoti NV = 6, 9, 12• SR = 50, 100, 150 m • Stent totally embedded• Da = 0

Sistema continuo, presenza dello stent

Flusso Sanguigno

Parete dell’arteria

Asse di simmetria

Concentrazione massima relativa

Concentrazione relativa nulla

Gel

Sistema continuo, presenza dello stent

Flusso Sanguigno

Parete dell’arteria

Asse di simmetria

Concentrazione massima relativa

Concentrazione relativa nulla

Gel

0.0

0.03

0.09

0.12

0.15

0.18

0.21

0.12

Ccw

r+

z+

0.50.504

1.0

Blood stream

cw

sog

stg

0.511

0.595

stent strut print

Sistema continuo, presenza dello stent

Confronto tra le configurazioni “totally out” e “totally embedded”Da = 10 su 4 m, (V, NV, SR) = (0.8, 9, 0.01 cm)

0

0,000005

0,00001

0,000015

0,00002

0,000025

0,00003

0,000035

0,00004

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04

Tempo adimensionale t+

Con

cent

razi

one

med

ia r

elat

iva

Stent totally embeddedStent totally out

0

1

2

3

4

5

6

1 10 100 1000

days

Ccw

(g/

cm3 )

Rbs = 0.25

Rbs = 0.5

Rbs = 0.75

Rbs = 0.75; small DA

Rbs = 0.75; big DA

Thrombi deposition

VSMCs proliferation

Late remodelling+ inflammation

REFERENCES

1) Mariana Puia, Caratterizzazione strutturale di Idrogel polimerici per applicazioni biotecnologiche. Tesi di Laurea, Dipartimento di Ingegneria Chmica, Università di Trieste, A.A. 2007-2008

2) Current Strategies to Improve the Efficacy and the Delivery of Nucleic Acid Based Drugs”, Grassi M., Cavallaro G., Scirè S., Scaggiante B., Dapas B., Farra R., Baiz D., Giansante C., Guarnieri G., Perin D., Grassi G. Current Signal Transduction Therapy, 2010, 5(2), 92-120

3) Mathematical modelling of NABD release from endoluminal gel paved stent”, L. Davia, G. Grassi, G. Pontrelli, R. Lapasin, D. Perin, M. Grassi. Computational Biology and Chemistry, 2009, 33, 33-40.