Incorporation of human recombinant tropoelastin into silk fibroin membranes with the view to repairing Bruch’s membrane

Bombyx mori silk fibroin membranes provide a potential delivery vehicle for both cells and extracellular matrix (ECM) components into diseased or injured tissues. We have previously demonstrated the feasibility of growing retinal pigment epithelial cells (RPE) on fibroin membranes with the view to repairing the retina of patients afflicted with age-related macular degeneration (AMD). The goal of the present study was to investigate the feasibility of incorporating the ECM component elastin, in the form of human recombinant tropoelastin, into these same membranes. Two basic strategies were explored: (1) membranes prepared from blended solutions of fibroin and tropoelastin; and (2) layered constructs prepared from sequentially cast solutions of fibroin, tropoelastin, and fibroin. Optimal conditions for RPE attachment were achieved using a tropoelastin-fibroin blend ratio of 10 to 90 parts by weight. Retention of tropoelastin within the blend and layered constructs was confirmed by immunolabelling and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). In the layered constructs, the bulk of tropoelastin was apparently absorbed into the initially cast fibroin layer. Blend membranes displayed higher elastic modulus, percentage elongation, and tensile strength (p < 0.01) when compared to the layered constructs. RPE cell response to fibroin membranes was not affected by the presence of tropoelastin. These findings support the potential use of fibroin membranes for the co-delivery of RPE cells and tropoelastin.

Multimodal imaging of the collagen and elastic fibre networks in the bovine intervertebral disc

INTRODUCTION. The intervertebral disc is the largest avascular structure in the human body, withstanding transient loads of up to nine times body weight during rigorous physical activity. The key structural elements of the disc are a gel-like nucleus pulposus surrounded by concentric lamellar rings containing criss-crossed collagen fibres. The disc also contains an elastic fiber network which has been suggested to play a structural role, but to date the relationship between the collagen and elastic fiber networks is unclear. CONCLUSION. The multimodal transmitted and reflected polarized light microscopy technique developed here allows clear differentiation between the collagen and elastic fiber networks of the intervertebral disc. The ability to image unstained specimens avoids concerns with uneven stain penetration or specificity of staining. In bovine tail discs, the elastic fiber network is intimately associated with the collagen network.

Pathobiological Aspects of Nonreheumatic Aortic Valve Stenosis

Aortic valve stenosis (AS) is an active disease process akin to atherosclerosis, with chronic inflammation, lipid accumulation, extracellular matrix remodeling, fibrosis, and extensive calcification of the valves being characteristic features of the disease. The detailed mechanisms and pathogenesis of AS are still incompletely understood, however, and pharmacological treatments targeted toward components of the disease are not currently available. In this thesis project, my coworkers and I studied stenotic aortic valves obtained from 86 patients undergoing valve replacement for clinically significant AS. Non-stenotic control valves (n=17) were obtained from patients undergoing cardiac transplantation or from organ donors without cardiac disease. We identified a novel inflammatory factor, namely mast cell, in stenotic aortic valves and present evidence showing that this multipotent inflammatory cell may participate in the pathogenesis of AS. Using immunohistochemistry and double immunofluorescence stainings, we found that a considerable number of mast cells accumulate in stenotic valves and, in contrast to normal valves, the mast cells in diseased valves were in an activated state. Moreover, valvular mast cells contained two effective proteases, chymase and cathepsin G, which may participate in adverse remodeling of the valves either by inducing fibrosis (chymase and cathepsin G) or by degrading elastin fibers in the valves (cathepsin G). As chymase and cathepsin G are both capable of generating the profibrotic peptide angiotensin II, we also studied the expression and activity of angiotensin-converting enzyme (ACE) in the valves. Using RT-PCR, imunohistochemistry, and autoradiography, we observed a significant increase in the expression and activity of ACE in stenotic valves. Besides mast cell-derived cathepsin G, aortic valves contained other elastolytic cathepsins (S, K, and V). Using immunohistochemistry, RT-PCR, and fluorometric microassay, we showed that the expression and activity of these cathepsins were augmented in stenotic valves. Furthermore, in stenotic but not in normal valves, we observed a distinctive pattern of elastin fiber degradation and disorganization. Importantly, this characteristic elastin degradation observed in diseased valves could be mimicked by adding exogenous cathepsins to control valves, which initially contained intact elastin fibers. In stenotic leaflets, the collagen/elastin ratio was increased and correlated positively with smoking, a potent AS-accelerating factor. Indeed, cigarette smoke could also directly activate cultured mast cells and fibroblasts. Next, we analyzed the expression and activity of neutral endopeptidase (NEP), which parallels the actions of ACE in degrading bradykinin (BK) and thus inactivates antifibrotic mechanisms in tissues. Real-time RT-PCR and autoradiography revealed NEP expression and activity to be enhanced in stenotic valves compared to controls. Furthermore, both BK receptors (1 and 2) were present in aortic valves and upregulated in stenotic leaflets. Isolated valve myofibroblasts expressed NEP and BK receptors, and their upregulation occurred in response to inflammation. Finally, we observed that the complement system, a source of several proinflammatory mediators and also a potential activator of valvular mast cells, was activated in stenotic valves. Moreover, receptors for the complement-derived effectors C3a and C5a were expressed in aortic valves and in cultured aortic valve myofibroblasts, in which their expression was induced by inflammation as well as by cigarette smoke. In conclusion, our findings revealed several novel mechanisms of inflammation (mast cells and mast cell-derived mediators, complement activation), fibrosis (ACE, chymase, cathepsin G, NEP), and elastin fiber degradation (cathepsins) in stenotic aortic valves and highlighted these effectors as possible pathogenic contributors to AS. These results support the notion of AS as an active process with inflammation and extracellular matrix remodeling as its key features and identify possible new targets for medical therapy in AS.

Effects of elastase and collagenase on the nonlinearity and anisotropy of porcine aorta

We use enzymatic manipulation methods to investigate the individual and combined roles of elastin and collagen on arterial mechanics. Porcine aortic tissues were treated for differing amounts of time using enzymes elastase and collagenase to cause degradation in substrate proteins elastin and collagen and obtain variable tissue architecture. We use equibiaxial mechanical tests to quantify the material properties of control and enzyme treated tissues and histological methods to visualize the underlying tissue microstructure in arterial tissues. Our results show that collagenase treated tissues were more compliant in the longitudinal direction as compared to control tissues. Collagenase treatment also caused a decrease in the tissue nonlinearity as compared to the control samples in the study. A one hour collagenase treatment was sufficient to cause fragmentation and degradation of the adventitial collagen. In contrast, elastase treatment leads to significantly stiffer tissue response associated with fragmented and incomplete elastin networks in the tissue. Thus, elastin in arterial walls distributes tensile stresses whereas collagen serves to reinforce the vessel wall in the circumferential direction and also contributes to tissue anisotropy. A microstructurally motivated strain energy function based on circumferentially oriented medial fibers and helically oriented collagen fibers in the adventitia is useful in describing these experimental results.

Expressão de fatores de virulência, mecanismos de resistência aos agentes antimicrobianos e análise molecular da resistência aos beta-lactâmicos de enterobactérias isoladas de bolsas periodontais

Em estudo anterior, as espécies de enterobactérias apresentando perfis variados de resistência aos antimicrobianos foram detectadas em 20% dos sítios com lesões periodontais de pacientes sadios do ponto de vista sistêmico. Tais cepas microbianas foram submetidas a investigações com o intuito de determinar à expressão de enzimas hidrolíticas para substratos diversos, a multirresistência aos agentes antimicrobianos e os mecanismos de resistência aos antimicrobianos da classe dos β lactâmicos. A maioria das amostras expressou atividade de gelatinase (65%), caseinase (30%) e elastase (10%). Lipase, lecitinase e DNase foram observadas apenas para Serratia marcescens. A multirresistência (considerado como a resistência a pelo menos dois agentes antimicrobianos de famílias diferentes) foi observada em 56% das amostras isoladas. A maioria das cepas foi resistentes à ampicilina (93,75%) e amoxicilina/ácido clavulânico (81,25%). Investigações sobre a resistência aos antibióticos β-lactâmicos mostraram que três amostras resistentes à cefalosporinas de 2 geração, apresentaram perfis plasmidiais de diferentes pesos moleculares. A expressão fenotípica de β-lacatamases, foi detectada nas cepas de Enterobacter cloacae (PcOM46 e PcOM5) e S. marcescens (PcOM63). No entanto, na análise molecular, não foi possível confirmar a expressão fenotípica de diferentes β-lactamases, com exceção do E. cloacae PcOM46, que apresentou amplificação para AmpC e blaTEM. Embora sensível à maioria dos antibióticos β-lactâmicos (exceção feita à ampicilina e amoxicilina / ácido clavulânico), amostra de S. marcescens PcOM68 apresentou amplificação para o gene blaSHV. Os experimentos de conjugação não detectaram a transferência de plasmídios para uma cepa de Escherichia coli K12 sensívei aos β-lactâmicos, o mesmo ocorreu nos procedimentos de transformação por eletroporação e por CaCl2, sugerindo uma resistência dependente de genes cromossomiais. A expressão de diferentes atividades enzimáticas, juntamente com a resistência aos antimicrobianos, aponta estes grupos de bactérias como agentes patogênicos potenciais capazes de contribuir para a patogênese e resposta à quimioterapia antimicrobiana nas doenças periodontais, além da disseminação sistêmica para outros locais do corpo, especialmente em indivíduos imunocomprometidos. A colonização prévia de lesões periodontais por espécies resistentes aos β-lactâmicos, pode contribuir para a disseminação destes genes relacionados à resistência aos antimicrobianos em ambientes hospitalares.

Quantificação das células estreladas ativadas / miofibroblastos e análise da apoptose das células do fígado durante a terapia celular na fibrose hepática em ratos

A fibrose hepática é o resultado de uma resposta cicatrizante frente a repetidas lesões no fígado, e é caracterizada pelo acúmulo excessivo de proteínas da matriz extracelular (MEC) no parênquima hepático, incluindo colágeno, fibronectina, elastina, laminina e proteoglicanos, com a participação de diferentes populações celulares do fígado. As principais células responsáveis pela síntese de proteínas da MEC na fibrose hepática são as células estreladas hepáticas ativadas e os miofibroblastos, que surgem após estímulo inflamatório e são caracterizadas pela expressão de alfa-actina de músculo liso (α-SMA). Sabe-se que durante a progressão da fibrose hepática, ocorre a morte de hepatócitos e sua substituição por células fibrogênicas α-SMA+. A apoptose dessas células fibrogênicas é de grande relevância para a regressão da fibrose e regeneração hepática. Nos últimos anos, a terapia com células tronco de medula óssea tem sido utilizada para estimular a regeneração hepática em diferentes modelos experimentais e protocolos clínicos. A fração mononuclear da medula óssea adulta possui duas populações de células-tronco importantes no tratamento de diversas doenças hepáticas: células-tronco hematopoiéticas e células-tronco mesenquimais. O objetivo deste estudo foi analisar a expressão de α-SMA e o processo de apoptose de células hepáticas durante a fibrose hepática induzida por ligadura do ducto biliar (LDB) e após o transplante de células mononucleares de medula óssea (CMMO). Os fígados foram coletados de ratos dos seguintes grupos: normal, 14 dias de LDB, 21 dias de LDB e animais que receberam CMMO após 14 dias de LDB, e foram analisados após 7 dias (totalizando 21 dias de LDB). Para quantificar a expressão de α-SMA por células fibrogênicas nos grupos experimentais, foi realizada imunoperoxidase para α-SMA, seguida de morfometria no programa Image Pro Plus. Para analisar a apoptose nas células hepáticas, foi realizada imunoperoxidase e Western Blotting (WB) para caspase-3 (proteína apoptótica) e imunofluorescência com dupla-marcação para caspase-3 e α-SMA, seguida de observação em microscópio confocal. Os resultados da quantificação de α-SMA por morfometria mostraram que a expressão de α-SMA aumentou significativamente 14 e 21 dias após a LDB. Entretanto, essa expressão diminuiu significativamente no grupo tratado com CMMO, que apresentou parênquima hepático mais preservado em relação ao grupo com 21 dias de LDB. Os resultados de imunoperoxidase, WB e microscopia confocal para expressão de caspase-3 demonstraram que essa proteína diminuiu nos animais fibróticos com 14 e 21 dias de LDB com relação ao grupo normal, e estava significativamente elevada no grupo tratado com CMMO. A análise por microscopia confocal demonstrou que algumas células coexpressaram α-SMA e caspase-3 nos animais tratados com CMMO, sugerindo a morte de células fibrogênicas e remodelamento do parênquima hepático.

Estudo estrutural do pênis de fetos humanos normais e anencéfalos no segundo trimestre de gestação

A anecencefalia é o Defeito do Tubo Neural (DTN) mais severo em fetos humanos. Há uma demanda crescente para reposição tissular em doenças crônicas e cirurgias reconstrutoras. Tecidos fetais têm sido utilizados como substitutos para órgãos sólidos. Comparar a estrutura e morfologia do corpo cavernoso e corpo esponjoso de pênis de fetos humanos anencéfalos e de controle a fim de propor um novo modelo para estudos biológicos e transplantes teciduais. Foram estudados 11 pênis de fetos de controle de 14 a 23 Semanas Pós Concepção (SPC), e cinco pênis de fetos anencéfalos de 18 a 22 SPC. Os órgãos foram removidos e processados pelas técnicas histo e imunohistoquímicas rotineiras. A análise do tecido conjuntivo, células musculares lisas e fibras elásticas foram realizadas em lâminas dos espécimes. Os dados foram expressos em Densidade de àrea (Da) utilizando-se um software de processamento digital. As médias foram comparadas utilizando-se o Teste - T não pareado e quando aplicável, a regressão linear simples foi utilizada. Foi considerada significância estatística se p<0,05. O septo intercavernoso encontrava-se presente em todas as amostras. Não foram observadas diferenças da Da do tecido colágeno e musculatura lisa dos pênis de fetos anencéfalos quando comparados aos normais. A regressão linear simples sugere que durante o desenvolvimento humano há um aumen2to gradual do tecido colágeno (R2=0,45) e uma diminuição da musculatura lisa (R =0,62) no corpo cavernoso de ambos os grupos. A elastina encontrava-se presente apenas em fetos a partir da 20 SPC. Não houve diferença na estrutura da genitália entre fetos normais e enencéfalos. Apresença da elastina em fetos a partir da 20 SPC é um dado objetivo da manutenção da capacidade de ereção nestes grupos. A histo e imunohistoquímica sugerem que o desenvolvimento do pênis destes fetos encontra-se inalterado. Futuros estudos deverão ser realizados com o objetivo de avaliar fetos anencéfalos como um potencial grupo de doadores teciduais e um adequado modelo para estudos biológicos.

Avaliação da intervenção terapêutica com produto natural na cicatrização de ferida cutânea: o uso de óleo de capivara

A cicatrização de feridas cutâneas visa restaurar a integridade da pele, objetivando um fechamento rápido da lesão e a formação de uma cicatriz funcional e esteticamente satisfatória. Diversos modelos in vivo têm sido estudados a fim de caracterizar diversos componentes e mecanismos envolvidos no reparo tecidual e avaliar os efeitos de potenciais compostos terapêuticos que aceleram o processo de cicatrização. O óleo extraído da gordura subcutânea de capivara possui certas propriedades, entre elas está o seu uso em ferimentos externos com o intuito de acelerar o processo cicatricial, embora tal evento não seja confirmado em pesquisas experimentais. O presente estudo teve como objetivo investigar os possíveis efeitos da aplicação tópica de óleo de capivara em feridas cutâneas induzidas em camundongos Swiss, avaliando sua interferência macro e microscópica no processo de cicatrização das lesões. A lesão foi realizada no dorso dos animais, que receberam aplicação tópica do óleo de capivara (0,1 ml) durante 3, 7, 14 e 21 dias de pós-operatório (PO), conforme protocolo estabelecido. Ao final dos dias, foi realizada eutanásia dos animais e fragmentos de lesão e pele adjacente foram coletados e processados para a microscopia de luz. Cortes histológicos da amostra foram corados com hematoxilina e eosina, azul de toluidina, picro sirius red, resorcina fucsina de Weigert, e imunomarcadas para detecção de antígeno nuclear de proliferação celular. Foram analisados macroscopicamente o aspecto geral da lesão, contração da lesão e reepitelização, e microscopicamente a espessura da neoepiderme, quantidade de leucócitos polimorfonucleares (PMN) e mastócitos, proliferação celular na epiderme e derme, e avaliação das fibras de colágeno e do sistema elástico-microfibrilar na matriz extracelular da derme cicatricial. Os animais tratados topicamente com o óleo de capivara mostraram, comparados ao grupo controle que não recebeu tratamento, melhor desenvolvimento da crosta de fibrina nas fases iniciais da cicatrização e desaparecimento da mesma antes do 14 dia PO; maior contração e reepitelização da área da lesão, bem como neoepiderme mais espessa em 7 dias PO; aumento do número de leucócitos PMN em 3 dias PO e sua gradativa redução nos dias subsequentes e diminuição do número de mastócitos em 21 dias PO. Além disso, no grupo tratado com óleo de capivara foi observada uma benéfica modulação das fibras colágenas e elásticas presentes na matriz extracelular da derme, apresentando aceleração da deposição de fibras de colágeno do tipo I e melhor organização dessas fibras no tecido, bem como aceleração da elastogênese com o aparecimento das fibras do sistema elástico-microfibrilar a partir do 7 dia PO. O presente trabalho demonstrou que o emprego tópico do óleo de capivara em feridas cutâneas de camundongos interfere favoravelmente no processo de cicatrização, acelerando o fechamento da ferida e a reparação da epiderme e derme

Efeitos da atividade física de baixa intensidade na estrutura das túnicas íntima e média da aorta em ratos espontaneamente hipertensos (SHR)

O exercício contínuo de baixa intensidade é capaz de atenuar a hipertrofia da célula muscular lisa da parede da aorta de ratos espontaneamente hipertensos (SHR), e parece atuar sobre a distribuição de fibras oxitalânicas, elaunínicas e elásticas. As alterações funcionais das grandes artérias relacionadas com a idade, deposição de colágeno e elastina na parede arterial e a elasticidade, são também melhoradas com a atividade física. No presente trabalho objetivamos estudar os efeitos da atividade física aeróbica de baixa intensidade no remodelamento estrutural da artéria aorta em modelo de hipertensão genética de ratos SHR. Através da análise da distribuição das fibras oxitalânicas, elaunínicas e elásticas na aorta dos animais controles e SHR submetidos ou não a atividade física de baixa intensidade. Foram utilizados 32 ratos, sendo 16 ratos SHR machos e 16 ratos normotensos Wistar Kyoto (WKY) machos com 8 semanas de idade. Ratos machos foram alocados em 4 grupos: WKY sedentário (WKY-SED), WKY exercitado (EX-WKY), SHR sedentário (SED-SHR), e SHR exercitado (EX-SHR). Os ratos sedentários foram limitados à atividade na caixa, enquanto que os ratos exercitados foram submetidos a um exercício de 1 h / dia, 5 dias / semana. Esses grupos passaram pelo protocolo de atividade física de 20 semanas e a pressão arterial foi mensurada semanalmente (PA). As aortas foram colhidas e processadas para microscopia de luz, microscopia eletrônica e western blotting. Foram realizadas as colorações orcinol neo-fucsina e resorcina-fucsina de Weigert. No grupo hipertenso, o exercício mantém a PA em um nível relativamente semelhante ao inicio do protocolo, mostrando a capacidade de prevenir o aumento da PA ao longo das 20 semanas. No grupo dos animais hipertensos não tratados, a PA aumenta. A PA aumentou progressivamente nos ratos SED-SHRs atingindo 1894 mmHg, mas o exercício físico impediu este processo. Ao final do experimento a PA nos ratos EX-SHRs foi similar o dos ratos WKY (1184 vs. 1144 mmHg), respectivamente. Observou-se maior expressão de elastina e maior distribuição de fibras oxitalânicas, elaunínicas e elásticas em animais que foram submetidos ao protocolo de exercício físico. A porcentagem de fibras elásticas e oxitalânicas foi menor em SED-SHR comparado com SED-WKY, mas o exercício físico aumentou a porcentagem dessas fibras em ambos os grupos. Através da imuno-histoquímica ultra-estrutural para elastina e fibrilina, os grupos EX-WKY e EX-SHR apresentaram uma marcação mais intensa para elastina e fibrilina. Animais hipertensos que não sofreram o protocolo de exercício físico apresentam espessura da parede da aorta maior que a dos animais que sofreram o exercício. O número de lamelas elásticas, bem como as fibras oxitalânicas e elaunínicas, é maior no grupo EX-SHR, em relação ao SED-SHR. Os grupos exercitados tiveram maior expressão de eNOS que seus respectivos grupos sedentários, e as células endoteliais apresentaram características morfológicas preservadas. A associação da atividade física com modelos de hipertensão genética mostra que o exercício físico tem efeitos benéficos nessa situação, uma vez que atenua a hipertensão e o remodelamento adverso da parede da aorta.

Material model of lung parenchyma based on living precision-cut lung slice testing.

We describe a novel constitutive model of lung parenchyma, which can be used for continuum mechanics based predictive simulations. To develop this model, we experimentally determined the nonlinear material behavior of rat lung parenchyma. This was achieved via uni-axial tension tests on living precision-cut rat lung slices. The resulting force-displacement curves were then used as inputs for an inverse analysis. The Levenberg-Marquardt algorithm was utilized to optimize the material parameters of combinations and recombinations of established strain-energy density functions (SEFs). Comparing the best-fits of the tested SEFs we found Wpar = 4.1 kPa(I1-3)2 + 20.7 kPa(I1 - 3)3 + 4.1 kPa(-2 ln J + J2 - 1) to be the optimal constitutive model. This SEF consists of three summands: the first can be interpreted as the contribution of the elastin fibers and the ground substance, the second as the contribution of the collagen fibers while the third controls the volumetric change. The presented approach will help to model the behavior of the pulmonary parenchyma and to quantify the strains and stresses during ventilation.

Preliminary report on bottlenose dolphin (Tursiops truncatus) uterine samples for parity analysis

There have been numerous studies on various mammalian species regarding vascular changes in uterine arteries elucidating the effects of parity. In equids, vascular changes of uterine arteries have been demonstrated to occur in uniparous and multiparous mares. The severity of these arteriole changes suggests a link to previous pregnancies. Differences in the number or range of pregnancies can be ascertained through microscopic evaluation of elastin deposition in the arterioles, perivascular fibrosis, and stromal cellularity. There has been little, if any, work performed on parity in the bottlenose dolphin (Tursiops truncatus). The objective of this preliminary study was to determine the feasibility of detecting similar vascular changes in the endometrium of known-aged female bottlenose dolphins to assess parity. Archived formalin fixed samples of uterus were obtained from nine bottlenose dolphins with known age and parity. Four slides were made from each sample and individually stained with four different techniques. From our small sample pool, it appears that uteri from nulliparous animals do not develop perivascular fibrosis. Parous uteri developed perivascular fibrosis and arteriolar elastosis. These changes agree with our expectations that some degeneration (elastosis) and compensation (fibrosis) occurs as a result of uterine expansion of pregnancy. The assessment of this technique for use in bottlenose dolphins would provide an important tool in the determination of the reproductive success of dolphin populations, identify individuals who are sexually mature but nulliparous, which could indicate reproductive dysfunction or increased calving intervals, and increase our knowledge on the role contaminants play in reproductive dysfunction.

Distúrbios do metabolismo do cobre, ferro e zinco

Projeto de Pós-Graduação/Dissertação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Ciências Farmacêuticas

Recursive directional ligation by plasmid reconstruction allows rapid and seamless cloning of oligomeric genes.

This paper reports a new strategy, recursive directional ligation by plasmid reconstruction (PRe-RDL), to rapidly clone highly repetitive polypeptides of any sequence and specified length over a large range of molecular weights. In a single cycle of PRe-RDL, two halves of a parent plasmid, each containing a copy of an oligomer, are ligated together, thereby dimerizing the oligomer and reconstituting a functional plasmid. This process is carried out recursively to assemble an oligomeric gene with the desired number of repeats. PRe-RDL has several unique features that stem from the use of type IIs restriction endonucleases: first, PRe-RDL is a seamless cloning method that leaves no extraneous nucleotides at the ligation junction. Because it uses type IIs endonucleases to ligate the two halves of the plasmid, PRe-RDL also addresses the major limitation of RDL in that it abolishes any restriction on the gene sequence that can be oligomerized. The reconstitution of a functional plasmid only upon successful ligation in PRe-RDL also addresses two other limitations of RDL: the significant background from self-ligation of the vector observed in RDL, and the decreased efficiency of ligation due to nonproductive circularization of the insert. PRe-RDL can also be used to assemble genes that encode different sequences in a predetermined order to encode block copolymers or append leader and trailer peptide sequences to the oligomerized gene.

Morphing low-affinity ligands into high-avidity nanoparticles by thermally triggered self-assembly of a genetically encoded polymer.

Multivalency is the increase in avidity resulting from the simultaneous interaction of multiple ligands with multiple receptors. This phenomenon, seen in antibody-antigen and virus-cell membrane interactions, is useful in designing bioinspired materials for targeted delivery of drugs or imaging agents. While increased avidity offered by multivalent targeting is attractive, it can also promote nonspecific receptor interaction in nontarget tissues, reducing the effectiveness of multivalent targeting. Here, we present a thermal targeting strategy--dynamic affinity modulation (DAM)--using elastin-like polypeptide diblock copolymers (ELP(BC)s) that self-assemble from a low-affinity to high-avidity state by a tunable thermal "switch", thereby restricting activity to the desired site of action. We used an in vitro cell binding assay to investigate the effect of the thermally triggered self-assembly of these ELP(BC)s on their receptor-mediated binding and cellular uptake. The data presented herein show that (1) ligand presentation does not disrupt ELP(BC) self-assembly; (2) both multivalent ligand presentation and upregulated receptor expression are needed for receptor-mediated interaction; (3) increased size of the hydrophobic segment of the block copolymer promotes multivalent interaction with membrane receptors, potentially due to changes in the nanoscale architecture of the micelle; and (4) nanoscale presentation of the ligand is important, as presentation of the ligand by micrometer-sized aggregates of an ELP showed a low level of binding/uptake by receptor-positive cells compared to its presentation on the corona of a micelle. These data validate the concept of thermally triggered DAM and provide rational design parameters for future applications of this technology for targeted drug delivery.

A genetically engineered thermally responsive sustained release curcumin depot to treat neuroinflammation.

Radiculopathy, a painful neuroinflammation that can accompany intervertebral disc herniation, is associated with locally increased levels of the pro-inflammatory cytokine tumor necrosis factor alpha (TNFα). Systemic administration of TNF antagonists for radiculopathy in the clinic has shown mixed results, and there is growing interest in the local delivery of anti-inflammatory drugs to treat this pathology as well as similar inflammatory events of peripheral nerve injury. Curcumin, a known antagonist of TNFα in multiple cell types and tissues, was chemically modified and conjugated to a thermally responsive elastin-like polypeptide (ELP) to create an injectable depot for sustained, local delivery of curcumin to treat neuroinflammation. ELPs are biopolymers capable of thermally-triggered in situ depot formation that have been successfully employed as drug carriers and biomaterials in several applications. ELP-curcumin conjugates were shown to display high drug loading, rapidly release curcumin in vitro via degradable carbamate bonds, and retain in vitro bioactivity against TNFα-induced cytotoxicity and monocyte activation with IC50 only two-fold higher than curcumin. When injected proximal to the sciatic nerve in mice via intramuscular (i.m.) injection, ELP-curcumin conjugates underwent a thermally triggered soluble-insoluble phase transition, leading to in situ formation of a depot that released curcumin over 4days post-injection and decreased plasma AUC 7-fold.