Injectable biodegradable carriers for the delivery of therapeutic agents and tissue engineering

Abstract

The design of smart biomaterial devices plays a key role to improve the way conventional therapies are being delivered, and to promote the development of new approaches for advanced therapies, such as regenerative medicine and targeted drug release. Injectable biodegradable materials, such as those consisting of suspensions of polymeric particles, are highly versatile devices that can be delivered through minimally-invasive injections. The physic-chemical properties of the particles can be engineered to obtain smart scaffolds for tissue engineering, carriers for drug release and cell therapy. The aim of this Thesis is to develop a novel class of biodegradable and injectable particulate carriers based on polylactic acid (PLA), that are capable to trigger and guide specific responses from the cells and the biological milieu. First, a novel route to fabricate PLA-based microcarriers (MCs) was set and characterized. The production method involved green, non-harmful chemicals and it is easy to scale-up. Such technique allowed tuning MC size and size distribution in the range suitable for drug and cell delivery applications. The favorable regulatory status of the materials and reagents may also be beneficial for the translation of the MCs from bench to bedside. The principles guiding the fabrication procedure can inspire techniques to generate nanocarriers for controlled drug delivery. Recent studies point out the importance of drug-loaded and submicron-sized materials in the treatment of severe clinical conditions, such as persistent biofilm infections. These nanoparticles (NPs) can be endowed with smart functionalities to enhance drug delivery within the biofilm matrix. In this way, NPs encapsulating the antibiotic ciprofloxacin were produced and functionalized with DNase I. The NPs improved the antimicrobial activity of the encapsulated drug and promoted biofilm eradication, targeting and degrading directly the biofilm matrix. On the other hand, larger particles such as MC, display a high surface area for cell expansion. MCs can also deliver cells with therapeutic potential as ¿living drugs¿, ideally in a spatio-temporal controlled fashion. This is especially important, as, in standard cell therapies, direct injection of cells is accompanied by massive cell mortality that renders the treatment ineffective. PLA MCs suitable for Mesenchymal Stromal Cells (MSCs) homing have been produced and modified with different functionalization approaches. The physic-chemical properties of the MCs and bioactive coatings modulated cell adhesion, proliferation, and migratory potential in response to chemokines that regulate MSC tissue localization, like SDF-1a. The results highlight the importance of carriers design to control cell delivery, and provide important guidelines to instruct a new generation of efficient biomaterial carriers. Another exciting application of injectable, cell-laden MCs is to use them as building blocks to fabricate living tissues in vitro. Combining MC technology and bioprinting is an appealing strategy to generate tissues grafts with controlled architectures. The suspension of injectable PLA cell-laden MCs within gelatin-based hydrogels formed an extrudable, composite bioink. MCs acted as mechanical reinforcement for soft gels and as means for cell expansion to encapsulate high cell payload. MSCs were shown to form MC-MSCs aggregates, with enhanced cell-to-cell contact on surface functionalized PLA MCs, and differentiated towards the osteogenic lineage. This result suggests potential applications of MC-MSCs laden bioinks for bone tissue engineering, and the composite bioink is proposed as component to build multimaterial, 3D-printed osteochondral graft models. Taken together, the injectable devices developed in the Thesis constitute promising and highly versatile biomaterial platforms for biomedical applications, and can be employed in a wide array of tissue engineering, and cell and drug delivery strategies.

El diseño de dispositivos basados en biomateriales inteligentes, juega un papel fundamental a la hora de mejorar las terapias convencionales, así como en el desarrollo de nuevas estrategias para la medicina regenerativa y la liberación controlada de fármacos. Materiales inyectables biodegradables, tales como las suspensiones de partículas poliméricas, constituyen dispositivos versátiles, que se pueden suministrar por medio de inyecciones mínimamente invasivas. Las propiedades físico-químicas de las partículas pueden ser modificadas para obtener andamios inteligentes para la ingeniería de tejidos, transportadores para liberación de fármacos y cultivo y terapia celular. El objetivo de esta Tesis es el desarrollo de una nueva clase de partículas transportadoras inyectables y biodegradables, basadas en ácido poliláctico (PLA), que sean capaces de desencadenar y guiar respuestas específicas por parte de las células y del entorno biológico. Primero, se ha creado y caracterizado una nueva ruta para fabricar microstransportadores (MCs) basados en PLA. Este método de producción utiliza reactivos verdes y no-tóxicos, y es sencillo de adaptar para la fabricación a gran escala. Esta técnica permite controlar parámetros fundamentales en las MCs, tales como su tamaño y dispersión, que pueden ser controlados dentro de los rangos adecuados para aplicaciones de liberación de fármacos y células. El hecho que los materiales y reactivos utilizados están bien aceptados por las agencias reguladoras, puede favorecer el traslado de las partículas fabricadas desde la investigación hasta la práctica clínica. Los principios de este método pueden adaptarse a otras técnicas de fabricación para generar nanotransportadores (nanopartículas, NPs) de fármacos. Estudio recientes subrayan la importancia de biomateriales submicrométricos cargados con compuestos bioactivos en el tratamiento de enfermedades, tal como las infecciones provocadas por biofilms. Estas NPs pueden ser modificadas con funcionalidades inteligentes, para mejorar la distribución del fármaco en la matriz del biofilm. De esta manera, se han producido NPs que encapsulan el antibiótico ciprofloxacino, modificadas superficialmente con DNasa I. Estos transportadores tienen como diana la matriz que compone el biofilm y pueden degradarla, incrementando la actividad antibacteriana del ciprofloxacino y promoviendo la erradicación de los biofilms. Por otra banda, las partículas más grandes, como las MCs, poseen una superficie adecuada para la expansión celular. Las MCs se pueden usar para transportar “drogas vivas”, es decir células con potencial terapéutico, posiblemente controlando su distribución espacial y su cinética de liberación. Esto es de particular importancia, porque la ineficiencia de muchas terapias celulares actuales se debe a la gran cantidad de células que no sobreviven una vez inyectadas in vivo. Se han producido MCs de PLA modificadas por diferentes estrategias de funcionalización y aptas para suportar en su superficie células madres mesenquimales (MSCs). La biofuncionalización y las propiedades físico-químicas de las MCs juegan un papel fundamental en la adhesión y proliferación célular, así como la capacidad de las MSCs de migrar en respuesta a estímulos quimiotácticos, que regulan su localización en los tejidos, tal como el SDF-1α. Los resultados subrayan la importancia del diseño de las MCs para controlar la liberación de las células, y a la vez aportan información para desarrollar una nueva y más eficiente generación de transportadores de células. Otra aplicación prometedora de las MCs inyectables es su uso como bloques de construcción para fabricar tejidos vivos in vitro. La combinación de la tecnología de las MCs con la bioimpresión 3D constituye una estrategia atractiva para obtener injertos de tejidos multimateriales con arquitectura controlada. Se han obtenido biotintas compuestas y capaces de ser extruidas mezclando materiales basados en hidrogeles de gelatina con las MCs de PLA cargadas con células. Las MCs actúan de refuerzo mecánico para el hidrogel y como vehículo para la expansión celular (por ejemplo, en un bioreactor “spinner flask”) para encapsular elevadas cantidades de células. Las MSCs forman agregados células-particulas, una vez sembradas en las superficies de las MCs, y estos complejos, ricos en contactos célula-célula, se demostraron capaces de suportar la diferenciación osteogénica de las MSCs. Este resultado sugiere potenciales aplicaciones de las biotintas cargadas de agregados de MCs y MSCs para la ingeniería del tejido óseo. Esta biotinta ha sido también utilizada como componiente para generar un modelo de injerto osteocondral, por medio de una técnica de impresión 3D. El conjunto de dispositivos inyectables desarrollados en esta Tesis constituyen una plataforma muy versátil y prometedora para aplicaciones biomédicas, en particular en estrategias de ingeniería de tejidos, y liberación de células y fármacos