3D printing-based technology using mesenchymal stem cells for personalized psoriasis therapy

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Barros, Rita de Oliveira
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/52383
Resumo: Trabalho Final de Mestrado Integrado, Ciências Farmacêuticas, 2020, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.
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spelling 3D printing-based technology using mesenchymal stem cells for personalized psoriasis therapyCélulas estaminais mesenquimais (MSC)Impressão 3DAlginatoQuality by designAplicação tópicaMestrado integrado - 2020Ciências da SaúdeTrabalho Final de Mestrado Integrado, Ciências Farmacêuticas, 2020, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.A psoríase é uma doença inflamatória crónica que afeta cerca de 2-3% da população mundial. Esta doença é caracterizada pela hiperproliferação aberrante dos queratinócitos e infiltração de células inflamatórias na derme que resultam no aparecimento de lesões cutâneas ruborizadas, pruriginosas e em placa. A sua patogénese tem sido intensamente estudada ao longo dos anos, no entanto o mecanismo exato da doença é bastante complexo e permanece elusivo. Esta complexidade inclui fatores genéticos, epigenéticos e ambientais e uma forte interação entre o sistema imunitário inato e adaptativo. O desequilíbrio de vias inflamatórias leva a uma forte ativação das células dendríticas e produção de péptidos antimicrobianos, citocinas e quimiocinas que exacerbam a resposta inflamatória. Atualmente, o tratamento tópico desta patologia passa pela aplicação de cremes emolientes, queratolíticos e anti-inflamatórios para tratar as zonas afetadas e diminuir a inflamação da pele. Nos casos mais severos da doença, muitas vezes é necessário recorrer a terapêutica sistémica, que pode desencadear efeitos adversos mais graves. Assim sendo, as terapêuticas tópicas são preferíveis, contudo, atualmente apenas aliviam os sintomas e são insuficientes no tratamento da patologia. Por este motivo, e considerando que a indústria farmacêutica está em crescente desenvolvimento, é incentivado o desenvolvimento de abordagens terapêuticas inovadoras com tecnologias mais avançadas. O secretoma das células estaminais mesenquimais (MSC) poderá ser uma boa opção para contornar este problema. As células estaminais mesenquimais (MSC) pertencem a um subgrupo de células estaminais e podem ser isoladas a partir de vários tecidos como a medula óssea, o cordão umbilical, os dentes, a pele ou mesmo o tecido adiposo. Estas células possuem propriedades regenerativas e imunomoduladoras, através da secreção de fatores bioativos que atuam de forma parácrina, induzindo a remodelação tecidular. Tendo em conta a fragilidade destas células, vários estudos referem vantagens na utilização do secretoma celular em substituição das mesmas. O secretoma constitui os biofatores produzidos pela maquinaria celular como proteínas, hormonas, lípidos e ácidos nucleicos que exercem funções importantes não só no seu desenvolvimento, mas também no de outras células. As suas mais-valias incluem uma fácil utilização e armazenamento, uma menor imunogenicidade e acessibilidade económica. Considerando estas suas propriedades, o secretoma das MSC é um potencial candidato para uma terapêutica de inovação tópica. Atualmente, o desenvolvimento de biotintas para aplicação tópica recorrendo à impressão 3D tem sido revolucionária no sentido em que permite a produção de formas farmacêuticas melhoradas e personalizadas. A impressão 3D é uma técnica utilizada em diferentes áreas incluindo produção de órgãos, próteses, implantes, modelos anatómicos e formas farmacêuticas. Esta tecnologia baseia-se na criação de um ficheiro modelo 3D através de um software digital de design, em inglês denominado por computer aided design (CAD) software. Depois de desenvolvido, este ficheiro modelo é convertido num formato reconhecido pela impressora a utilizar e procede-se a impressão 3D da biotinta com o design pré-definido. Dentro das várias tecnologias de impressão 3D, a extrusão é a mais adequada para a bioimpressão de células porque permite a impressão de formulações semissólidas à temperatura ambiente, mantendo a viabilidade celular; permite também a utilização ampla de vários polímeros e é facilmente personalizável, ajustando parâmetros da formulação e do processo. A escolha do polímero para a formulação da biotinta é de extrema importância porque os seus parâmetros físico-químicos irão influenciar significativamente a qualidade do produto final. Um polímero ideal deve ser biocompatível, biodegradável, pouco tóxico e possuir boas propriedades mecânicas para manter a integridade do impresso 3D. Há dois principais tipos de polímeros: os polímeros naturais e os polímeros sintéticos, sendo que os primeiros geralmente possuem melhor biocompatibilidade, mas piores propriedades mecânicas relativamente aos últimos, que possuem pior biocompatibilidade, mas melhores propriedades mecânicas. O alginato e o quitosano são dois polímeros naturais frequentemente utilizados por investigadores na impressão 3D de células porque, além de possuírem as características previamente descritas, também são relativamente económicos. Após seleção dos polímeros, é necessária a produção de uma formulação otimizada que seja imprimível, mantenha a sua integridade após impressão e que constitua um meio adequado para a incorporação do secretoma celular. No sentido de evitar gastos excessivos de tempo e dinheiro no desenvolvimento de várias formulações e apenas posteriormente averiguar a sua qualidade numa abordagem quality by testing, a indústria farmacêutica tem apostado numa abordagem muito mais eficiente denominada quality by design (QbD). A QbD é uma abordagem sistemática, proativa e baseada na gestão de risco que incentiva a definição dos padrões de qualidade antes do processo de manufatura propriamente dito e a adoção de procedimentos consistentes para atingir o objetivo de qualidade previamente definido. O principal objetivo deste trabalho é a otimização de uma forma farmacêutica tridimensional (3D) para futura libertação tópica de secretoma de MSC, utilizando uma estratégia de QbD. Formulações iniciais de alginato e quitosano foram desenvolvidas para avaliar as suas propriedades físico-químicas, estudo esse que resultou na exclusão das formulações de quitosano por apresentarem valores de pH incompatíveis com a viabilidade celular. Subsequentemente, um estudo de otimização foi desenvolvido, onde se avaliou o impacto da concentração de alginato, da concentração do agente de gelificação e do efeito pré-crosslink no tempo de gelificação, que foi definido como a característica de qualidade a controlar. Os resultados demonstraram que apenas o agente de gelificação apresentou um impacto significativo no tempo de gelificação. Esta abordagem de QbD é importante para perceber em que concentrações e condições se deve trabalhar para atingir a qualidade do produto pretendida. A formulação otimizada foi utilizada como prova de conceito para corroborar a sua sustentabilidade para incorporar o secretoma celular das MSC. A produção de formas farmacêuticas que requerem a manipulação celular, deve ser realizada em condições asséticas. Quando isso não é possível, opta-se pela esterilização do material e meio de cultura e adição de conservantes à formulação. O impacto do método de esterilização, bem como da incorporação de meio celular na formulação foi avaliado recorrendo a uma análise reológica. Verificou-se uma menor interferência nos valores iniciais de viscosidade com o método de esterilização UV-C e assistiu-se a um aumento de viscosidade com a adição de meio celular. Também foi estudada a influência da incorporação na viscosidade da biotinta e a biocompatibilidade de cinco conservantes diferentes, tendo sido selecionado o NipaginTM/Nipazol® como o mais adequado. O processo de impressão e a qualidade do produto final também foram avaliadas e concluiu-se que a formulação otimizada está efetivamente apta para ser utilizada na incorporação de secretoma celular de MSC. Trabalhos futuros nesta área podem incluir o estudo e otimização de formulações com misturas de polímeros naturais e sintéticos, a fim de se obter um melhor comprometimento entre biocompatibilidade e propriedades mecânicas e também estudar a libertação de secretoma celular de MSC através da forma farmacêutica 3D.Psoriasis is a chronic inflammatory disease characterized by hyperproliferation of keratinocytes and infiltration of inflammatory cells manifested by characteristic skin lesions typically red, itchy, and scaly. Enhanced understanding of the underlying pathomechanisms and the interplay between the innate and adaptive immune system resulted in the development of many therapeutical options. Nevertheless, psoriasis remains without cure and this lack of curative therapeutics in the market demands a search for novel therapeutical approaches. Mesenchymal stem cell (MSC) derived secretome presents regenerative and immunomodulatory properties and therefore may be a suitable option if embedded in the adequate bioink. In the pharmaceutical industry, the development of hydrogel bioinks for topical application using semisolid extrusion-based 3D printing has been revolutionary since it allows the production of improved pharmaceutical forms with tuneable properties. Alginate and chitosan are natural polymers commonly used by researchers in this area due to their biocompatibility, biodegradability, non-toxicity, and relatively low cost. The main goal of this project was the optimization of a 3D system for future application for topical delivery of secretome using a Quality by Design (QbD) approach. Initial formulations were developed to understand physicochemical properties of both polymers and chitosan formulations were excluded for not presenting biocompatible pH values. Then an optimization study was performed where the impact of different parameters on gelation time was evaluated. The results showed that only the crosslinking agent had a significant impact on gelation time. A proof of concept was performed to guarantee the suitability of the optimized hydrogel in encapsulating cells secretome. The rheological influence of two sterilization methods, incorporation of preservatives and cell culture medium were studied, as well as the biocompatibility of five different preservatives. The printability process and the quality of the final product in terms of structural properties were also evaluated. The results obtained confirmed the potential use of this bioink for secretome delivery.Com o patrocínio da Faculdade de Farmácia da Universidade de Lisboa e do Instituto Politécnico de Setúbal.Marto, Joana MarquesRepositório da Universidade de LisboaBarros, Rita de Oliveira2022-04-18T13:29:34Z2020-11-242020-10-272020-11-24T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/52383TID:202681211enginfo: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:RCAAP2023-11-08T16:57:36Zoai:repositorio.ul.pt:10451/52383Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:03:31.219052Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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