Development of carriers for insulin delivery for wound healing applications
| Autor(a) principal: | |
|---|---|
| Data de Publicação: | 2021 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/51738 |
Resumo: | Tese de Mestrado Integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências |
| id |
RCAP_0b3f2ce15644572979438730811b2ccf |
|---|---|
| oai_identifier_str |
oai:repositorio.ul.pt:10451/51738 |
| network_acronym_str |
RCAP |
| network_name_str |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| repository_id_str |
7160 |
| spelling |
Development of carriers for insulin delivery for wound healing applicationsCicatrização de feridasInsulinaFeridas crónicasMicrofluídicaHidrogelTeses de mestrado - 2021Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia MédicaTese de Mestrado Integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasA prevalência de feridas crónicas representa um dos maiores problemas de saúde pública a nível global, em função dos longos períodos de cicatrização associados a tratamentos pouco eficazes. A cicatrização de feridas é um processo fisiológico dinâmico e organizado que permite a recuperação da integridade da pele após uma lesão. Assim, a interrupção deste processo está associada a um impacto negativo e significante na qualidade de vida dos pacientes. Pacientes com patologias como a diabetes e obesidade estão mais sujeitos ao aparecimento deste tipo de feridas, devido a condições inerentes de hiperglicemia e complicações cardiovasculares. A idade é também um fator de risco para este tipo de lesão. Ao longo das últimas décadas equipas de investigação têm-se dedicado à descoberta de novas terapias, sendo que a principal abordagem para este tipo de patologia consiste em eliminar o foco de inflamação e aplicar topicamente fatores de crescimentos exógenos. A insulina é um fator de crescimento com um preço reduzido e vastamente disponível no mercado, capaz de estimular a migração celular, acelerando o processo de cicatrização. Contudo, a eficácia da administração tópica de insulina torna-se reduzida devido à ação das protéases presentes no leito da ferida. Assim, torna-se fundamental desenvolver novos métodos eficazes e capazes de contrariar este efeito proteolítico, protegendo o fator de crescimento da degradação. A encapsulação da insulina em micropartículas é capaz de conferir estabilidade à proteína quando administrada na ferida, promovendo uma libertação controlada e uma maior adesão às superfícies mucosas. Estudos revelaram, também, que a administração tópica de células estaminais mesenquimais acelera o processo de cicatrização, promovendo a formação de novos vasos sanguíneos num processo designado angiogénese, e reduzindo a inflamação. Este tipo de células estaminais têm a capacidade de se autorrenovarem em diferentes linhagens celulares, secretar fatores de crescimento e outras biomoléculas. Para além disso, o secretoma destas células é capaz de promover a deposição de matriz extracelular e aumentar a estabilidade dos fatores de crescimento no leito da ferida. Por outro lado, os fatores de crescimento têm, também, influência ao nível da modulação do efeito destas células estaminais. Assim, a co-encapsulação de insulina em conjunto com células estaminais mesenquimais em micropartículas pode ser uma estratégia inovadora no campo da medicina regenerativa, com aplicação na regeneração de feridas crónicas. Relativamente à administração destes fatores terapêuticas, esta pode ser feita através de aplicação de hidrogéis, capazes de conferir proteção contra a degradação provocada pelo ambiente. O PVA é um polímero sintético solúvel em água frequentemente utilizado na produção de hidrogéis, que pode ser reticulado de modo a adquirir excelentes propriedades viscoelásticas. Os hidrogéis compostos por este polímero conferem à pele uma camada resistente ao stress provocado pelo processo de cicatrização, promovendo uma sensação de conforto quando são aplicados na ferida. Por outro lado, o alginato é um polímero natural conhecido pela sua capacidade de absorver os fluídos em excesso existentes nas feridas, mantendo a hidratação da pele. Também a glicerina é frequentemente utilizada em hidrogéis, funcionado como emoliente e conferindo estrutura ao mesmo. Assim, o primeiro objetivo deste trabalho é desenvolver um hidrogel com nanopartículas contendo insulina, através de ciclos de congelação-descongelação. Posteriormente, é necessário otimizar este hidrogel que deverá ser apto para aplicação tópica, promovendo uma sensação de conforto quando aplicado na ferida. Para isso, as suas propriedades reológicas, tais como a viscosidade, vão ser avaliadas de modo a garantir a obtenção de um sistema de administração de insulina apto para aplicação em feridas crónicas. Para proceder à caracterização e produção deste hidrogel foram utilizadas nanopartículas revestidas com quitosano previamente produzidas pelo grupo de investigação que foram depois incorporadas no hidrogel composto por PVA, alginato e glicerina. Note-se que as nanopartículas revestidas com quitosano foram apenas utilizadas para estudar as propriedades reológicas do hidrogel, de modo a otimizar a sua formulação. Nesta primeira fase foi possível estudar e compreender a influência das variáveis independentes (percentagem de quitosano, alginato e glicerina, e número de ciclos de congelação-descongelação) nas propriedades do sistema composto pelo hidrogel e nanopartículas. A variável com maior impacto sobre as características do hidrogel é a quantidade de alginato, que influencia propriedades como a viscosidade e o potencial zeta. Correlacionando estes fatores tornou-se, então, possível, determinar a formulação ideal para o hidrogel. Numa segunda fase do projeto, pretende-se desenvolver um sistema para co-encapsulação de insulina com células estaminais mesenquimais através da técnica de microfluídica. Neste caso, o objetivo é estudar a estrutura da insulina após encapsulação, para mais tarde adicionar à formulação as células estaminais mesenquimais. A microfluídica foi a técnica escolhida para este efeito, uma vez que permite uma rápida produção de micropartículas com um tamanho e forma bem definidos, bem como a encapsulação de células em simultâneo. Assim, produziu-se um microchip com uma estrutura em forma de “T” e utilizaram-se propulsores de seringas para administrar duas fases imiscíveis com um fluxo constante. A fase contínua corresponde a uma solução de alginato e insulina, enquanto a fase dispersa corresponde a uma solução lipídica auto-emulsionante. Neste contexto, as partículas produzidas têm dimensões entre 10-100 µm, pelo que são consideradas micropartículas. Com o objetivo de otimizar a produção de micropartículas, produziram-se microchips com entradas e saídas reforçados para evitar pequenas fugas de conteúdo provocadas pela textura oleosa da fase dispersa. Apesar de eficaz, a técnica de microfluídica é bastante minuciosa, na medida em que é necessário determinar os fluxos ideias para um cada dos fluídos, possibilitando a formação de partículas esféricas. Para efeitos de controlo, foram produzidas partículas com e sem insulina. Uma vez produzidas, as partículas foram congeladas e posteriormente liofilizadas, com e sem crioprotetor. A morfologia da superfície das micropartículas foi avaliada através da técnica de microscopia eletrónica de varredura, e foram também realizados ensaio de libertação durante um período de 48 horas para avaliar e eficácia do sistema. A insulina foi depois extraída das micropartículas e a sua estrutura foi avaliada por microscopia de fluorescência, dicroísmo circular, espetroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, e ensaios de Tio Flavina-T. Os resultados obtidos com o ensaio de libertação revelaram uma libertação uniforme e controlada de insulina durante as 48 horas, permitindo concluir que esta libertação poderá manter-se mesmo após este período. Os resultados de dicroísmo circular e microscopia de fluorescência revelaram que a insulina manteve a sua estrutura após encapsulação, com presença de apenas pequenas alterações. Os resultados de espetroscopia de infravermelho com transformada de Fourier confirmaram que a estrutura da insulina foi conservada após encapsulação, e não foram detetadas novas interações da proteína com o alginato. Os resultados obtidos relativamente às partículas congeladas com e sem crioprotetor revelaram-se semelhantes, sem grandes diferenças a notar relativamente a esta variável. Os resultados obtidos com este trabalho sugerem que a insulina pode ser eficazmente encapsulada através da técnica de microfluídica. Assim, reúnem-se condições para aliar os resultados obtidos em ambas as etapas deste trabalho, sendo que o produto final seria um hidrogel cuja formulação foi otimizada, contendo micropartículas com insulina, obtidas com recurso à técnica de microfluídica. Futuramente, pretende-se desenvolver um microchip com maior complexidade que permita encapsular as células estaminais mesenquimais em simultâneo com a insulina. Assim, será possível avaliar a viabilidade das células após encapsulação, bem como estudar a citotoxicidade e bioatividade da formulação in vitro. O resultado final será uma plataforma multipotente para administração tópica de fatores de crescimentos células estaminais mesenquimais para a cicatrização de feridas crónicas.The prevalence of chronic wounds is a challenging public health issue, due to long-time recovery and inefficacious treatments. Incidence of chronic wounds increase with age and pathologies such as diabetes and obesity are risk-factors. Insulin, a peptide hormone, is one of the cheapest growth factors available, being able to mitigate the compromised skin by triggering cell migration and proliferation, stimulating wound healing. Mesenchymal stem cells offer promising approaches for cell therapy because of their self-renewal capacities and multi-lineage differentiation. Besides, it was demonstrated that the presence of insulin improves MSCs function and survival, accelerating chronic wound healing. The co-encapsulation of mesenchymal stem cells and insulin in microparticles improves its stability in the wound area, provide adhesion to the mucosal surfaces, and preserve the sustained release. Therefore, this work started with the development and optimization of a hydrogel containing nanoparticles for topical insulin administration by freeze-thawing. The objective is to obtain a hydrogel with good rheological particles suitable for topical application. The second phase of the work consists of the development of a delivery system co-encapsulating insulin and mesenchymal stem cells by microfluidics. In this case, the aim is to evaluate the protein structure upon encapsulation to later encapsulate the stem cells. Microfluidics was the chosen technique for microparticle production because it allows the rapid generation of controlled size particles and simultaneous cell encapsulation. Once produced, microparticles were lyophilized with and without cryoprotectant. The surface morphology of the produced microparticles was evaluated using scanning electronic microscopy and the release profile of insulin was also evaluated. Insulin structure upon encapsulation was assessed by fluorescence microscopy, circular dichroism, Fourier transform infrared spectroscopy and thioflavin-T assay. The results obtained with circular dichroism, fluorescence microscopy, and thioflavin-T assay revealed that insulin structure was maintained upon encapsulation with minimal structural modifications. Moreover, the presence of cryoprotectant did not affect the results concerning insulin structure. Fourier transform infrared spectroscopy results showed confirm these results, and no interactions with alginate are evidenced. Finally, the results regarding the release profile of insulin revealed a sustained release during a period of 48 hours. The results obtained in both phases of this work suggest that the developed encapsulation technique can be applied to the production of microparticles co-encapsulating insulin and mesenchymal stem cells. Therefore, the next step consists of evaluate the mesenchymal stem cells viability upon encapsulation, and the cytotoxicity profile of the formulation, as well its bioactivity. Then, these microparticles can be incorporated into the optimized hydrogel, creating a delivery system suitable for topical administration, with wound healing applications.Fonte, Pedro Ricardo Martins Lopes daFerreira, Hugo Alexandre Teixeira DuarteRepositório da Universidade de LisboaMendes, Francisca Ribeiro202120212024-12-31T00:00:00Z2021-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/51738enginfo:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:56:38Zoai:repositorio.ul.pt:10451/51738Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:02:59.338233Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
| dc.title.none.fl_str_mv |
Development of carriers for insulin delivery for wound healing applications |
| title |
Development of carriers for insulin delivery for wound healing applications |
| spellingShingle |
Development of carriers for insulin delivery for wound healing applications Mendes, Francisca Ribeiro Cicatrização de feridas Insulina Feridas crónicas Microfluídica Hidrogel Teses de mestrado - 2021 Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Médica |
| title_short |
Development of carriers for insulin delivery for wound healing applications |
| title_full |
Development of carriers for insulin delivery for wound healing applications |
| title_fullStr |
Development of carriers for insulin delivery for wound healing applications |
| title_full_unstemmed |
Development of carriers for insulin delivery for wound healing applications |
| title_sort |
Development of carriers for insulin delivery for wound healing applications |
| author |
Mendes, Francisca Ribeiro |
| author_facet |
Mendes, Francisca Ribeiro |
| author_role |
author |
| dc.contributor.none.fl_str_mv |
Fonte, Pedro Ricardo Martins Lopes da Ferreira, Hugo Alexandre Teixeira Duarte Repositório da Universidade de Lisboa |
| dc.contributor.author.fl_str_mv |
Mendes, Francisca Ribeiro |
| dc.subject.por.fl_str_mv |
Cicatrização de feridas Insulina Feridas crónicas Microfluídica Hidrogel Teses de mestrado - 2021 Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Médica |
| topic |
Cicatrização de feridas Insulina Feridas crónicas Microfluídica Hidrogel Teses de mestrado - 2021 Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Médica |
| description |
Tese de Mestrado Integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências |
| publishDate |
2021 |
| dc.date.none.fl_str_mv |
2021 2021 2021-01-01T00:00:00Z 2024-12-31T00:00:00Z |
| dc.type.status.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| dc.type.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| format |
masterThesis |
| status_str |
publishedVersion |
| dc.identifier.uri.fl_str_mv |
http://hdl.handle.net/10451/51738 |
| url |
http://hdl.handle.net/10451/51738 |
| dc.language.iso.fl_str_mv |
eng |
| language |
eng |
| dc.rights.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/embargoedAccess |
| eu_rights_str_mv |
embargoedAccess |
| dc.format.none.fl_str_mv |
application/pdf |
| dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação instacron:RCAAP |
| instname_str |
Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação |
| instacron_str |
RCAAP |
| institution |
RCAAP |
| reponame_str |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| collection |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| repository.name.fl_str_mv |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação |
| repository.mail.fl_str_mv |
|
| _version_ |
1799134580044726272 |