7.2a PLURONICS1 Pluronics® (BASF) (EO)x(PO)y(EO)x Famiglia di block copolymers non ionici ed anfifilici Molecole o unimeri a tre blocchi (EO)x(PO)y(EO)x Centro idrofobo Estremità idrofile Ampia disponibilità Inerzia chimica e biologica Significative proprietà di solvente Buona solubilità in acqua Caratteristiche osmotiche controllate Proprietà di superficie definite

Contenuto percentuale in peso di EO Pluronic® grid PLURONIC® F127 (EO)99(PO)65(EO)99 MW ≈ 12600 Da %EO ≈ 70% Flakes Area “best gel formation” Peso molecolare di PPO (tra 950 e 4000 Da) Paste Liquidi Contenuto percentuale in peso di EO (tra 10 e 80%)

Micellizzazione dei Pluronics® Basse temperature Unimeri in soluzione Molecole idratate (legami H) Aumento della temperatura Aggregazione in Micelle CMT Corona micellare PEO Hydrophobic core PPO Raggio idrodinamico ≈ 10 nm Numero di aggregazione = 3 ÷ 12 Raggio del nucleo ≈ 7 nm Parametri strutturali (F127)

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 Entanglements tra le corone micellari Vistose variazioni delle grandezze reologiche Number increase Volume increase

Esame del campo di temperatura tra 15 e 37°C RHEOLOGY Soluzione di F127 al 18% Esame del campo di temperatura tra 15 e 37°C Gelation termica con cinetica TWO STEP

ADDITION OF OTHER COMPONENTS: A alginate (2%) L, C = liposomes

LOW FIELD NMR: RELAXATION (T2) 20 ms 10°C 40°C T(°C) T2(ms) I(-) 160 ms 1000 ms 14°C WATER (84.2%) PLURONIC (15.7%) STRUCTURED PLURONIC

LOW FIELD NMR: DIFFUSION (D)

Alginate + Pluronic solution 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] T = 25 °C t = 3 Pa < 40 Pa rx =2.7*10-5 mole/cm3 x = 5 nm

LF NMR: Alginate 2% - Pluronic 18% (A2P18) [CuSO4] 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 mesh 74% PF127 18%(25°C) A2% CuSO4 (25°C)

A2% CuSO4

t ≈ 2 t ≈ 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: nell’avanzare un palloncino montato su catetere sino all’area del restringimento coronarico nel gonfiare il palloncino 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

Farmaci basati su acidi nucleici (NABD) Nuovi approcci 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 Farmaci basati su acidi nucleici (NABD) Nuovi approcci

GEL PAVING adventitia media elastic lamina intima endothelium gel layer intima media adventitia endothelium elastic lamina Stent strut cross section blood flow direction Coronary wall diffusion convection elimination drug 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 continuo Sistema a bande

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  = R0/Z0 Pe = VRR0/D Da = kR0²/D C+(t+), t+ = tD/R0²

Sistema continuo, assenza dello stent k costante di internalizzazione L lunghezza caratteristica (spessore arteria) D diffusività del farmaco nell’arteria Da = kL²/D

Sistema continuo, assenza dello stent Darteria / Dgel debole Darteria tenuto costante Dgel debole viene variato Dgel forte = 1/1000 Dgel debole

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

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

cw stent strut print Ccw Blood stream stg sog r+ z+ 0.21 0.18 0.15 0.0 0.03 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21 Ccw r+ z+ 0.5 0.504 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)

Late remodelling + inflammation 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 Mariana Puia, Caratterizzazione strutturale di Idrogel polimerici per applicazioni biotecnologiche. Tesi di Laurea, Dipartimento di Ingegneria Chmica, Università di Trieste, A.A. 2007-2008 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 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.