Development of a new microcarrier culture based in matrix of natural polymer

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Costa, Emanuel Fonseca Dinis
Data de Publicação: 2014
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.6/5670
Resumo: Gellan gum is a low cost polysaccharide manufactured by microbial fermentation of the Sphingomonas paucimobilis microorganism. This polymer is commonly used in food and pharmaceutical industry. It can be dissolved in water, and when heated and mixed with mono or divalent cations, forms a gel upon lowering the temperature under mild conditions. Gellan gum can be found in two forms, one with high acetylate content, called high acyl gellan gum and other form with low acetylate content, called low acyl gellan gum. Each form of gellan gum presents different gel characteristics. Microcarrier cell culture seems to be a promising method for the growth of large amounts of cells. This technique has been used not only for the production of pharmaceuticals but also in biomedical engineering and in drug screening using 3D cell culture. However microcarriers available on the market have some disadvantages such as opacity, low density or low porosity. Also the large diameter of the macroporous microcarriers makes them disadvantageous for some functions such as viewing adhered cells. But the main disadvantage lies in the high cost of processing. Bringing together these two topics, the aim of this work was create a new microcarrier made by the conjugation of the two forms of gellan gum. To achieve this aim, the work was divided in two main topics, the production and recovery of high acyl gellan gum and the development and characterization of the microcarrier structure. For the production and recovery of high acyl gellan gum, different procedures were tested and results revealed that medium with low nitrogen source and salt solution containing 10 g/L of Na2HPO4, 3 g/L of KH2PO4, 1 g/L of K2SO4, 1 g/L of NaCL, 0.2 g/L of MgSO4.7H2O, 0.01 g/L of CaCl2, 0.001 g/L of FeSO4.7H2O is more suitable for the growth of bacteria. The procedure of two centrifugation steps showed the best results for the removal of bacteria content. In addition, acetonitrile was the organic solvent that showed the best results for the precipitation of high acyl gellan gum compared to the other organic solvent tested (isopropanol, ethanol and acetone). In the second phase of the project was used the combination of gellan gum of high and low acetylation to develop a new microcarrier for cell culture. The combination of these two forms is related to the fact of trying to decrease the density of negative charges of low acyl gellan gum by using gellan gum high acetylation. Furthermore it was also desired to analyse the effect of the two forms in the swelling capacity and the degree of porosity of the final microcarrier. For this aim was then developed an experimental design in order to get the possible combinations between the concentrations of gellan gum high (0%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%) and low acetylation (0%, 0,16% , 12:33%, 0.5%). The water-in-oil emulsion technique was applied to the construction of microcarrier structures. The microcarriers developed were then evaluated for porosity degree by mercury microporosimetry and for swelling ability by the difference between the hydrated and lyophilized form of microcarrier. Through the results obtained, two initial models for the prediction of swelling behaviour and porosity degree were developed. Scanning electron microscopy was also performed to visualize the topographic surface of the microcarrier. Microcarriers with high (1.672 m2/g) and low level of porosity (0.209m2/g) were chosen for a cell culture assay and demonstrated similar behaviour regarding cell adhesion. The ability to adsorb compounds with positive charge was proved with a bovine serum albumin adsorption study by the surface of the microcarrier. In overall, these results suggest that the gellan microcarriers show advantageous characteristics that can be used for microcarrier cell culture. However more studies are needed in order to improve the microcarrier characteristics.
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spelling Development of a new microcarrier culture based in matrix of natural polymerAcetilaçãoGoma de GelanoMicrotransportadoresSpingomonas Paucimobilis Atcc31461.Domínio/Área Científica::Ciências Médicas::Ciências BiomédicasGellan gum is a low cost polysaccharide manufactured by microbial fermentation of the Sphingomonas paucimobilis microorganism. This polymer is commonly used in food and pharmaceutical industry. It can be dissolved in water, and when heated and mixed with mono or divalent cations, forms a gel upon lowering the temperature under mild conditions. Gellan gum can be found in two forms, one with high acetylate content, called high acyl gellan gum and other form with low acetylate content, called low acyl gellan gum. Each form of gellan gum presents different gel characteristics. Microcarrier cell culture seems to be a promising method for the growth of large amounts of cells. This technique has been used not only for the production of pharmaceuticals but also in biomedical engineering and in drug screening using 3D cell culture. However microcarriers available on the market have some disadvantages such as opacity, low density or low porosity. Also the large diameter of the macroporous microcarriers makes them disadvantageous for some functions such as viewing adhered cells. But the main disadvantage lies in the high cost of processing. Bringing together these two topics, the aim of this work was create a new microcarrier made by the conjugation of the two forms of gellan gum. To achieve this aim, the work was divided in two main topics, the production and recovery of high acyl gellan gum and the development and characterization of the microcarrier structure. For the production and recovery of high acyl gellan gum, different procedures were tested and results revealed that medium with low nitrogen source and salt solution containing 10 g/L of Na2HPO4, 3 g/L of KH2PO4, 1 g/L of K2SO4, 1 g/L of NaCL, 0.2 g/L of MgSO4.7H2O, 0.01 g/L of CaCl2, 0.001 g/L of FeSO4.7H2O is more suitable for the growth of bacteria. The procedure of two centrifugation steps showed the best results for the removal of bacteria content. In addition, acetonitrile was the organic solvent that showed the best results for the precipitation of high acyl gellan gum compared to the other organic solvent tested (isopropanol, ethanol and acetone). In the second phase of the project was used the combination of gellan gum of high and low acetylation to develop a new microcarrier for cell culture. The combination of these two forms is related to the fact of trying to decrease the density of negative charges of low acyl gellan gum by using gellan gum high acetylation. Furthermore it was also desired to analyse the effect of the two forms in the swelling capacity and the degree of porosity of the final microcarrier. For this aim was then developed an experimental design in order to get the possible combinations between the concentrations of gellan gum high (0%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%) and low acetylation (0%, 0,16% , 12:33%, 0.5%). The water-in-oil emulsion technique was applied to the construction of microcarrier structures. The microcarriers developed were then evaluated for porosity degree by mercury microporosimetry and for swelling ability by the difference between the hydrated and lyophilized form of microcarrier. Through the results obtained, two initial models for the prediction of swelling behaviour and porosity degree were developed. Scanning electron microscopy was also performed to visualize the topographic surface of the microcarrier. Microcarriers with high (1.672 m2/g) and low level of porosity (0.209m2/g) were chosen for a cell culture assay and demonstrated similar behaviour regarding cell adhesion. The ability to adsorb compounds with positive charge was proved with a bovine serum albumin adsorption study by the surface of the microcarrier. In overall, these results suggest that the gellan microcarriers show advantageous characteristics that can be used for microcarrier cell culture. However more studies are needed in order to improve the microcarrier characteristics.A goma de gelano é um polissacárido de baixo custo, produzido por fermentação microbiana do microorganismo Sphingomonas paucimobilis. Este polímero é vulgarmente utilizado na indústria alimentar e farmacêutica. A goma de gelano é solúvel em água, e, quando aquecida e misturada com catiões mono- ou divalentes, forma géis mediante a diminuição suave da temperatura. A goma de gelano pode ser encontrada em duas formas, uma com elevado conteúdo em grupos acetilados, designada por goma de gelano de alta acetilação e outra forma adicional com baixo conteúdo em grupos acetilados, denominada por de goma de gelano de baixa acetilação. Cada forma de goma de gelano apresenta diferentes características nos géis que resultam destes produtos. A goma de gelano de alta acetilação permite a formação de géis fluídos, já a goma de gelano de baixa acetilação forma géis rígidos e transparentes. A cultura de células de adesão em suspensão por microtrasportadores é um método que se tem tornado cada vez mais importante, não só porque permite o crescimento e desenvolvimento de um grande número de células mas também por possibilitar a formação de microambientes celulares sustentáveis. Devido a destas características, esta técnica tem vindo a ser utilizada não só pela indústria farmacêutica para a produção em larga escala de alguns fármacos como também para testar e avaliar fármacos numa fase inicial do seu desenvolvimento através de modelos 3D. No entanto os microtransportadores disponíveis no mercado apresentam algumas desvantagens tais como a opacidade, a baixa densidade dos ou a baixa porosidade dos microtransportadores. Também o elevado diâmetro dos microtransportadores macroporosos os torna desvantajosos para algumas funções como a visualização das células aderidas. Mas a principal desvantagem prende-se com o custo de processamento elevado. Associando as principais características do polímero goma de gelano e a necessidade de desenvolver novos microtransportadores surge o objectivo principal deste trabalho, que consiste no desenvolvimento de um novo transportador celular através da conjugação das duas formas de acetilação da goma de gelano. De modo a concretizar este objectivo o trabalho foi dividido em dois grandes tópicos, sendo eles, a produção e recuperação de goma de gelano de alta acetilação e o desenvolvimento e caracterização de um novo microtransportador com base na goma de gelano. Para a biossíntese de goma de gelano foram testados 3 métodos, com protocolos e meios distintos. Os resultados obtidos indicaram que o meio que permite uma maior produção de goma de gelano apresenta baixo nível de azoto e uma solução de sais composta por 10 g/L de Na2HPO4, 3 g/L de KH2PO4, 1 g/L de K2SO4, 1 g/L de NaCL, 0.2 g/L de MgSO4.7H2O, 0.01 g/L de CaCl2, 0.001 g/L de FeSO4.7H20. Para além disso, foi também constatado que para uma melhor adaptação e crescimento da bactéria durante a fermentação, o processo de transição da pré-fermentação para a fermentação deverá ser acoplado um passo de remoção da goma de gelano e interferentes majores do meio, tais como proteínas. Relativamente à recuperação da goma de gelano na forma de alta acetilação foram testados três patamares para a obtenção do polímero alvo com elevado grau de pureza, nomeadamente a remoção do conteúdo bacteriano, a remoção de interferentes e a precipitação do polímero. Deste modo para a remoção do conteúdo bacteriano foi comprovado que o tratamento do caldo de fermentação através de dois passos de centrifugação melhora a qualidade da goma de gelano precipitada. Na remoção dos principais interferentes foram avaliados dois métodos, um por precipitação com sulfato de amónio e outro por diálise. Nenhuma das opções testadas demonstrou resultados satisfatórios em termos de remoção dos contaminantes presentes em maior percentagem. Finalmente, para a precipitação da goma de gelano, foi testado um passo de filtração por membranas que apresenta bons resultados a nível da pureza do polímero recuperado (espectros de FTIR muito semelhantes entre a amostra recuperada e a amostra comercial de goma de gelano de lata acetilação). No entanto apresenta algumas desvantagens tais como a baixa quantidade de polímero recuperado que o tornam num método pouco viável. Nesta fase analisou-se ainda a capacidade de vários solventes orgânicos, tais como o isopropanol, o etanol, a acetona e o acetonitrilo para precipitar a goma de gelano de alta acetilação. Os resultados mais satisfatórios foram obtidos utilizando a precipitação da goma de gelano de alta acetilação com acetonitrilo. Na segunda fase do projecto usou-se a conjugação da goma de gelano de alta e baixa acetilação para desenvolver um novo microtransportador para cultura celular. A conjugação destas duas formas prende-se ao facto de tentar diminuir a densidade de cargas negativas da goma de gelano de baixa acetilação usando a goma de gelano de alta acetilação. Para além disso foi também pretendido analisar o efeito das duas formas na capacidade de inchaço e no grau de porosidade dos microtransportador finais. Foi então desenvolvido um desenho experimental de forma a obtermos as conjugações possíveis entre as concentrações da goma de gelano de alta (0%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%) e baixa acetilação (0%, 0.16%, 0.33%, 0.5%). Para a construção da estrutura do microtransportador foi utilizada a técnica de emulsão água em óleo. Os microtransportadores desenvolvidos foram avaliados quanto à sua capacidade de inchaço e grau de porosidade, de forma a ser desenvolvidos dois modelos iniciais para a previsão destas características. Para a avaliação da capacidade de inchaço foi medido o diâmetro dos microtransportadores na forma liofilizada e na forma hidratada. Através da variação de diâmetro foi obtido a capacidade de inchaço dos microtrasportadores. Para a avaliação da porosidade dos microtransportadores foi usado microporosimetria de mercúrio e foi avaliado a área total de poros de cada microtransportador. Também foi avaliada a superfície dos microtransportadores recorrendo à técnica de microscopia electrónica de varrimento. Posteriormente e de forma a avaliar a performance dos microtransportadores desenvolvidos foram testados dois microtransportadores com diferentes graus de porosidade (1.672 m2/g e 0.209m2/g) de modo a avaliar a sua sustentabilidade em termos de adesão e crescimento celular da linha COS-7 na sua superfície. Os resultados obtidos indicam que a porosidade dos microtransportadores pode influenciar uma maior adesão celular. Adicionalmente foi ainda avaliada a densidade de cargas. Deste modo foi utilizada albumina de soro bovino carregada positivamente e negativamente (dependendo do pH da solução) e testou-se o poder de ligação de cada forma da goma de gelano à superfície do microtransportador. Conclui-se que o microtransportador adsorve compostos positivos e por isso deve apresentar maioritariamente cargas negativas à superfície. Através deste trabalho inicial, foram obtidos resultados que demostram a potencialidade destes novos microtransportadores em diversas áreas, tais como a entrega de fármacos controlada por variações de pH e como possível base para suportes de crescimento celular em suspensão.Passarinha, Luís António PaulinoSousa, Ângela Maria Almeida deuBibliorumCosta, Emanuel Fonseca Dinis2018-08-03T14:19:13Z2014-6-232014-07-182014-07-18T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.6/5670TID:201292378enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-12-15T09:43:44Zoai:ubibliorum.ubi.pt:10400.6/5670Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-20T00:46:32.180549Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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