COMPLESSIVA PER IL CORSO
- IIT: Cavitazione nella barriera ematoencefalica per studi di drug delivery
Ente finanziatore: 1 borsa finanziata dall'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT);
Questa borsa di dottorato concerne lo studio del fenomeno di cavitazione per applicazioni di drug delivery all’interno di una barriera ematoencefalica (BEE) realizzata in vitro tramite la tecnica del 3D bioprinting.
Il termine drug delivery si riferisce a un nuovo approccio terapeutico per il trasporto sicuro di farmaci verso specifici siti di interesse in modo da aumentare l’efficacia terapeutica e al contempo minimizzare gli effetti tossici dei farmaci stessi sul resto del corpo. Tra le varie modalità di trasporto di medicinale all’interno del corpo umano, la via intravascolare è tipicamente la più utilizzata perché consente una facile distribuzione delle sostanze anche in organi e tessuti altrimenti inaccessibili. Nonostante questo, il passaggio del farmaco dai vasi sanguigni al tessuto di interesse è ostacolato dalle pareti del vaso stesso, uno strato compatto di cellule vascolari endoteliali connesse tra loro da un complesso sistema di proteine. La BEE è una delle barriere vascolari più specializzate. Consiste in cellule endoteliali connesse da giunzioni, dette tight jucntions, circondate da altre cellule (periciti e astrociti) e ha un ruolo cruciale nella protezione e nel mantenimento dell’omeostasi del cervello. Il trasporto del farmaco al cervello è quindi una sfida più ardua rispetto a quello in altre parti del corpo. È ormai noto che l’iniezione di microbolle (MB) stabilizzate all’interno di un vaso sanguigno e la loro attivazione tramite l’applicazione esterna di ultrasuoni -fenomeno conosciuto come cavitazione- possono aumentare la permeabilità endoteliale e quindi l’assorbimento del medicinale nel tessuto malato. Infatti, le MB attivate mediante ultrasuoni possono oscillare stabilmente o collassare inerzialmente in funzione dell’energia acustica assorbita, causando una vasta gamma di bioeffetti che inducono un’apertura transiente della membrana cellulare e di quella endoteliale.
Lo studio in vitro di drug delivery attraverso la BEE intensificato dall’attività di cavitazione è solitamente condotto su modelli biologici 2D o quasi 3D (dove lo strato endoteliale è adeso alle pareti di un canale microfluidico) che non rispecchiano la complessa architettura del sistema fisiologico. Il 3D bioprinting ad estrusione permette di sviluppare modelli della BEE più realistici, e di utilizzarli per investigare la permeabilizzazione della barriera a seguito di eventi di cavitazione di MB. Nell’ambito dell’ingegnerizzazione dei tessuti biologici, la tecnica del 3D bioprinting è piuttosto recente e al contempo promettente per la modellizzazione di tessuti e organi umani. Questa tecnica combina il concetto di digital prototyping e additive manufacturing per la costruzione di oggetti biologici 3D che contengono cellule, matrice extracellulare e fattori biologici funzionali. In primis, occorre creare un modello 3D al computer e poi riprodurlo tramite addizione strato per strato di biomateriale, detto anche bioink. L’integrazione di dispositivi microfluidici a monte dell’estrusore è un’idea innovativa che consente di aumentare la biomimeticità dell’oggetto 3D, grazie alla possibilità di depositare diversi tipi di biomateriali e/o cellule estrudendo più bioink alla volta o alternandoli secondo uno schema predefinito. In questo modo, cellule endoteliali, periciti e astrociti possono essere assemblati in un complesso 3D modulare che riproduce più fedelmente l’anatomia e quindi la fisiologia della BEE. La struttura tubulare dei canali della BEE possono essere perfusi da MB attivate da ultrasuoni. La permeabilità delle pareti prima durante e dopo la cavitazione mediata dagli ultrasuoni può essere quantificata misurando l’area delle aperture interendoteliali in corrispondenza delle giunzioni o il coefficiente di diffusione attraverso la membrana di un fluorescente iniettato nei vasi.
- Cavitation in a bioprinted blood brain barrier for drug delivery studies
The topic of this scholarship concerns the investigation of cavitation within a bioprinted blood brain Barrier (BBB) for drug delivery studies.
Drug delivery refers to a new therapeutic approach which aims at safely transporting pharmaceutical compounds to specific sites of action improving therapeutic efficacy while minimising toxic effects caused by the drug itself in the rest of the body. Among all the pharmaceutical routes, the intravascular one is commonly used for delivering drugs to organs since it can easily distribute them to otherwise inaccessible sites of action. However, drugs passage from the vessel to the targeted tissue is hindered by the endothelial walls, a layer of vascular endothelial cells (VECs) tightened together by a system of protein complex and lining the innermost surface of blood vessels. The BBB is the most highly specialised vasculature. It consists of VECs connected by tight junctions, surrounded by pericytes cells (PCs) and packed by astrocytes and plays a crucial role in protecting and maintain the homeostasis of the brain. The delivery of drugs to the brain is thus much more challenging than that to other compartments of the body. It was found that the injection of stabilized microbubbles (MBs) within the blood vessels and the activation by externally applied ultrasounds (US), also known as cavitation, could enhance the endothelium permeability and drugs uptake. Indeed, ultrasounds-activated MBs can stably oscillate or inertially collapse depending on the acoustic energy absorbed, resulting in diverse bioeffects that can transiently open up cell membranes and loosen endothelial barriers.
The in vitro study of cavitation-enhanced drug delivery across the BBB is usually conducted on 2D endothelial barrier or quasi-3D endothelial layer lining the inner walls of a microfluidic chips, thus lacking the complex architecture of the physiological system. The 3D extrusion bioprinting technique enables to develop a more reliable culture model of the BBB and use the bioprinted construct to address the BBB cavitation-assisted permeabilization. In tissue engineering, 3D bioprinting is a relatively young and promising technique for tissue and organ modelling. It combines the concept of digital prototyping and additive manufacturing to build 3D biological objects containing cells, extracellular matrix and functional biological factors. First, a computer 3D model is created and then reproduced by adding biomaterial, also known as bioink, in a layer-by-layer fashion. Integrated microfluidic devices upstream of the extruder allows for multi-material and multi-cellular deposition by extruding at the same time different bioinks or by rapidly switching from one bioink to another. In this way, VECs, PCs and astrocytes can be assembled into a 3D modular organization reproducing the BBB structure. The hollow channels of the BBB can be then perfused with stabilized MBs and activated by US. Quantification of the permeability before, during and after ultrasounds-activated cavitation can be addressed by measuring the area of the inter-endothelial gaps or the diffusion of a fluorescent dye through the BBB walls.
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