7.2a
PLURONICS1
Pluronics®
(BASF)
Famiglia di block copolymers
non ionici ed anfifilici
Molecole o unimeri a tre blocchi
(EO)x(PO)y(EO)x
Estremità idrofile
Ampia disponibilità
Inerzia chimica e biologica
O
O
Significative proprietà di solvente
HO
x
O y
Buona solubilità in acqua
Caratteristiche osmotiche controllate
Proprietà di superficie definite
Centro idrofobo
xH
Pluronic® grid
PLURONIC® F127
Flakes
Peso molecolare di PPO
(tra 950 e 4000 Da)
(EO)99(PO)65(EO)99
Area
“best gel
formation”
Paste
Liquidi
Contenuto percentuale in peso di EO
(tra 10 e 80%)
MW ≈ 12600 Da
%EO ≈ 70%
Micellizzazione dei Pluronics®
Basse temperature
Aumento della temperatura
Molecole idratate
(legami H)
Unimeri in soluzione
CMT
Aggregazione in Micelle
Hydrophobic core
PPO
Numero di aggregazione = 3 ÷ 12
Parametri strutturali
(F127)
Raggio idrodinamico ≈ 10 nm
Raggio del nucleo ≈ 7 nm
Corona micellare
PEO
Gelation dei Pluronics®
Soluzione
micellare
Aumento della
temperatura
Aumento della frazione di
volume occupata dalle micelle
VALORE CRITICO
j = 0,53
Packing di sfere
in struttura cristallina
a cella cubica semplice
Number increase
Volume increase
Entanglements
tra le corone micellari
Vistose variazioni delle
grandezze reologiche
RHEOLOGY
Soluzione di F127 al 18%
Esame del campo di temperatura tra 15 e 37°C
100000
10000
1000
G', G''
[Pa]
100
Gelation termica
con cinetica
TWO STEP
10
1
G'
0,1
G''
0,01
14
16
18
20
22
24
26
T [°C]
28
30
32
34
36
38
ADDITION OF OTHER COMPONENTS:
A alginate (2%)
L, C = liposomes
100000
10000
G' (Pa)
1000
P18-A2-L
100
P18
10
P18-A2-C
P18-A2
1
0.1
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
T (°C)
LOW FIELD NMR: RELAXATION (T2)
I(-)
40°C
T2(ms)
T(°C)
1000 ms
WATER (84.2%)
160 ms
14°C
10°C 20 ms
PLURONIC (15.7%)
STRUCTURED
PLURONIC
Pluronic® F127 "non strutturato" e "strutturato"
20
Area
Normalizzata
[%]
10
0
10
20
30
40
T [°C]
100
H2O
Area
normalizzata
[%]
90
80
70
60
50
10
20
30
40
T [°C]
LOW FIELD NMR: DIFFUSION (D)
2.1E-09
1.9E-09
T = 37°C
T = 30°C
T = 25°C
T = 20°C
T = 15°C
T = 10°C
1.5E-09
2
DH2O(m /s)
1.7E-09
1.3E-09
1.1E-09
9.0E-10
7.0E-10
5.0E-10
0
0.05
0.1
(td(s))0.5
0.15
7.2b
ALGINATE - PLURONIC
PREPARATION:
-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]
100000
G' exp
G'' exp
G', G'' [Pa]
10000
T = 25 °C
t = 3 Pa < 40 Pa
1000
0.01
0.1
1
10
w [rad/sec]
rx =2.7*10-5 mole/cm3
x = 5 nm
100
1000
LF NMR: Alginate 2% - Pluronic 18% (A2P18) [CuSO4]
60
T2,1
50
Picco
i
T2,i
[ms]
Ai Normalizzata
[%]
1
3.40
51.88
2
11.40
21.47
3
98.62
5.74
4
376.84
20.91
74%
mesh
40
a(T2)
30
PF127 18%(25°C)
A2% CuSO4 (25°C)
20
10
A1
T2,3
T2,2
A3
A2
0
1
10
100
T2 [ms]
T2,4
A4
1000
0.9
0.8
0.7
Pluronic F127 18% Alginato di Cu 2%
0.6
2%
- CuSO4
A2%
CuSO4
P(x) 0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1
10
x [nm]
100
T = 25°C
2.50E-09
PF127 18%
PF127 Al 18-2%
Linear Model
Not linear model
Latour Model
1.50E-09
2
D(m /s)
2.00E-09
t≈2
1.00E-09
t≈4
5.00E-10
0.00E+00
0
0.0525
0.105
0.5
0.5
td (s )
0.1575
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 palloncino
3) 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
adventitia
elastic lamina
Parete arteriosa
media
intima
gel layer
Sezione dello stent
elastic lamina
endothelium
Stent strut cross section
diffusion
convection
diffusion
blood flow direction
Coronary wall
Lume
elimination
Coating rinforzato
drug
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
successione di anelli circolari
come
una
• 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
Sistema continuo
Sistema a bande
Configurazione totally out
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
C  1  
C    1   C     C 
C Vθ C
C
 

 VZ
 k on CBf  k off Cb
 RDR
    2
 D
  
 DZ
  VR
t  R R 
R    R      Z 
Z 
R R θ
Z
C
  C  Dr   C 
C
 Dz
 kC


R
  VR
t
Z  Z  R R  R 
R
 = R0/Z0
Pe = VRR0/D
Da = kR0²/D
C 
  C   1     C  
C 
2









R

Pe
 DaC 
t 
Z   Z   R  R 
R  
R 
C+(t+), t+ = tD/R0²
Sistema continuo, assenza dello stent
Da = kL²/D
• k costante di internalizzazione
• L lunghezza caratteristica (spessore arteria)
• D diffusività del farmaco nell’arteria
Concentrazione media relativa
0,12
0,1
Da = 0
0,08
Da = 0,025
Da = 0,25
0,06
Da = 2,5
0,04
0,02
0
0
2
4
6
Tempo adimensionale t+
8
10
Sistema continuo, assenza dello stent
• Darteria tenuto costante
• Dgel debole viene variato
• Dgel forte = 1/1000 Dgel debole
Concentrazione media relativa
Darteria / Dgel debole
0,14
Dart/Dgel debole = 0,01
0,12
Dart/Dgel debole = 0,1
Dart/Dgel debole = 1
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0
2
4
6
Tempo adimensionale t+
8
10
Sistema continuo, presenza 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
Geometria dello stent
Concentrazione media relativa
0,12
0,1
0,08
Fv = 1
0,06
Fv = 0,7 Nv = 12
0,04
0,02
0
0
0,2
0,4
0,6
Tempo adimensionale t+
0,8
1
Sistema continuo, presenza dello
stent
Parete dell’arteria
Concentrazione massima relativa
Asse di simmetria
Gel
Flusso Sanguigno
Concentrazione relativa nulla
Sistema continuo, presenza dello
stent
Parete dell’arteria
Concentrazione massima relativa
Asse di simmetria
Gel
Flusso Sanguigno
Concentrazione relativa nulla
stent strut print
Ccw
0.12
0.21
Blood stream
0.18
0.15
0.12
0.09
0.03
0.504
0.5
0.511
z+
0.595
r+
0.0
1.0
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)
0,00004
Concentrazione media relativa
0,000035
Stent totally embedded
Stent totally out
0,00003
0,000025
0,00002
0,000015
0,00001
0,000005
0
0,00
0,01
0,02
0,03
Tempo adimensionale t+
0,04
Thrombi deposition
VSMCs proliferation
6
Late remodelling
+ inflammation
Rbs = 0.25
4
Rbs = 0.5
3
C cw( g/cm )
5
3
Rbs = 0.75
2
Rbs = 0.75; small DA
1
Rbs = 0.75; big DA
0
1
10
100
days
1000
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.