Cell Adhesion Peptide RGDSP and Laminin Support Proliferation and Migration of Postnatal Retinal Stem Cells in a 3D Hydrogel Culture System

Purpose: Retinal stem cells (RSCs) can be isolated from radial glia population of the newborn mouse retina (Angénieux et al., 2006). These RSCs have great capacity to renew and generate neurons including cells differentiated towards the photoreceptor lineage (Mehri-Soussi et al., 2006). However, our published results showed poor integration and survival rate after cell grafting into the retina. The uncontrollable environment of retina seems to be the problem. To bypass this, we are trying to generate hemi-retinal tissue in vitro that can be used for transplantation. Methods: Expanded RSCs were seeded in a mixture of poly-ethylene-glycol (PEG)-polymer-based hydrogels crosslinked by peptides that also serve as substrates for matrix metalloproteinases. Different doses of crosslinker peptides were tested. Several growth factors were studied to stimulate cell proliferation and differentiation. Results: Cells were trapped in hydrogels and cultured in the presence of FGF2 and EGF. Spherical cell clusters indicating proliferation appeared within several days, but there was no cell migration within the gel. We then added cell adhesion molecules integrin ligand RGDSP, or laminin, or a combination of both, into the gel. Cells grown with laminin showed the best proliferation. Cells grown with RGDSP proliferated a few times and then started to spread out. Cells grown with the combination of RGDSP and laminin showed better proliferation than with RGDSP alone and larger spread-outs than with laminin alone. After stimulations with first FGF2 and EGF, and then only FGF2, some cells showed neuronal morphology after 2 weeks. The neuronal population was assessed by the presence of neuronal marker b-tubulin-III. Glial cells were also present. Further characterizations are undergoing. Conclusions: RSC can grow and migrate in 3D hydrogel with the addition of FGF2, EGF, RGDSP and laminin. Further developments are necessary to form a homogenous tissue containing retinal cells.

Mechanical Properties of a Photopolymerizable Hydrogel for Intervertebral Disc Replacement.

We report on the modelling and experimental validation of a photopolymerizable hydrogel for a Nucleus Pulposus replacement.

In vivo study of an injectable poly(acrylonitrile)-based hydrogel paste as a bulking agent for the treatment of urinary incontinence.

Urinary incontinence can be treated by endoscopic injection of bulking agents, however, no optimal therapeutic effect has been achieved upon this treatment yet. In the present study, the development of a injectable poly(acrylonitrile) hydrogel paste is described, and its efficacy and histological behavior, once injected into the submucosal space of the minipig bladder, are evaluated. A device was developed to mix poly(acrylonitrile) hydrogel powder with glycerin, used as carrier, prior to injection into the submucosal space of the bladder. Several paste deposits, depending on the size of the bladder, were injected per animal. The implants were harvested at days 7, 14, 21, 28, 84 and 168 and analyzed morphologically and by histology. The persistence of the implants was demonstrated. However, at later time points the implants were split up and surrounded by granulomatous tissue, which was gradually replaced by histiocytes and adipocytes. Transitory focal urothelial metaplasia was observed only at day 7 and moderate foreign body reaction was detected predominantly between the second and fifth week. This study demonstrated the feasibility to develop an injectable paste of poly(acrylonitrile) hydrogel thought to provide the expected bulking effect, necessary for the treatment of urinary incontinence.

Atorvastatin-loaded hydrogel affects the smooth muscle cells of human veins

L'hyperplasie intimale est la cause majeure de sténoses de pontages veineux. Différents médicaments tels que les statines permettent de prévenir les sténoses mais leur administration systémique n'a que peu d'effet. Nous avons développé une matrice d'hydrogel d'acide hyaluronique qui permet d'avoir un relargage contrôlé d'atorvastatine sur un site désiré. L'enjeu de ce projet de recherche est de démontrer que l'atorvastatine relarguée par l'hydrogel a un effet similaire sur les cellules musculaires lisses de veines saphènes humaines comparé à l'atorvastatine directement diluée dans le milieu de culture. La recherche a été conduite conjointement par le laboratoire de médecine expérimentale du département de chirurgie thoracique et vasculaire du Centre Hospitalier Universitaire Vaudois et de l'Ecole de sciences pharmaceutiques des Universités de Lausanne et de Genève. On a incorporé de l'atorvastatine calcium (Chemos GmbH, Regenstauf Allemagne) dans des gels d'acide hyaluronique (Fortelis extra) à des concentrations déterminées afin de pouvoir analyser le relargage de l'Atovastatine dans le milieu de culture cellulaire par rapport aux concentrations d'atorvastatine directement ajoutées dans le milieu. Des cellules musculaires lisses primaires ont été cultivées à partir d'expiants de veines saphènes humaines. Elles ont été identifiées grâce à l'immunohistochimie par des anticorps contre la desmine et l'alpha-smooth muscle actine. La prolifération et la viabilité de ces cellules ont été analysées à l'aide du test MTT, leur transmigration avec le test de la chambre de Boyden et leur migration avec le principe de cicatrisation de plaies (wound healing assey). L'expression de gènes connus pour participer au développement de l'hyperplasie intimale, tels que la gap junction protein Connexin43 (Cx43), l'inhibiteur du plasminogène PAI-1, Thème oxygénase HO-1, la métalloproteinase-9 et l'inhibiteur de l'activateur du plasminogène tissulaire tPA, a été déterminée par niveau de mRNA exprimé en PCR. Leur expression en protéines a été analysée en utilisant la méthode par Western blots ainsi que l'immunohistochimie. Les expériences ont été effectuées à triple reprise en duplicats en parallèles avec de l'atorvastatine calcium directement ajoutée dans le milieu de culture et avec l'atorvastatine relarguée par l'hydrogel d'acide hyaluronique. Conclusions L'atorvastatine est relarguée par l'hydrogel de façon contrôlée. L'hydrogel contenant l'atorvastatine diminue la viabilité et la transmigration des cellules musculaires lisses de veines saphènes humaines de façon similaire à l'atorvastatine directement introduite dans le milieu de culture. L'hydrogel contenant l'atorvastatine module de façon sélective l'expression de marqueurs de la différentiation cellulaire de cellules musculaires lisses de veines saphènes humaines avec un retard de 24 heures comparé avec les effets de l'atorvastatine directement ajoutée au milieu de culture, sans néanmoins changer la distribution intra-cellulaire des protéines Cx43, HO-1 et PAI-1. Perspectives Il s'agit d'un projet d'importance clinique majeure permettant de réaliser des améliorations du traitement des artériopathies occlusives, ainsi que de relevance pharmacologique permettant de réaliser des dépôts de molécules avec un relargage stable et contrôlé à un site spécifique.

Atrovastatin-loaded hydrogel affects the smooth muscle cells of human veins

Les pontages veineux restent actuellement un traitement de choix dans les pathologies vasculaires occlusives. Cependant, plusieurs problèmes sont liés à ce type de revascularisation. Premièrement, l'hyperplasie intimale (HI) qui cause une resténose dans 20 à 50% des pontages, conduisant à un échec de la revascularisation. Ce processus est dû à la prolifération et à la migration des cellules musculaires lisses vasculaires vers l'intima, ainsi qu'à une sécrétion de protéines de la matrice extracellulaire conduisant à un épaississement de l'intima, principalement au niveau des anastomoses. Deuxièmement, bien qu'il existe des substances connues pour inhiber l'HI, leur administration systémique répétée est associée à une augmentation de leurs effets secondaires. Aucun dispositif ne permet actuellement la libération d'une telle substance localement au site d'une anastomose vasculaire. Nous avons donc développé un hydrogel d'acide hyaluronique compatible avec une application locale au niveau des anastomoses vasculaires et pouvant être chargé en atorvastatine (ATV) (inhibiteur de la 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA réductase), substance connue pour inhiber l'HI, dans le but de diminuer le fléau de la resténose. Nous avons tout d'abord testé l'effet de ce gel chargé en ATV sur la prolifération, la migration et la transmigration de cellules musculaires lisses primaires en culture provenant de veines saphènes humaines. Ensuite, nous avons étudié son effet sur différents gènes impliqués dans l'HI. Ceci a permis de montrer que l'ATV diminue la prolifération, la migration et la transmigration des cellules musculaires lisses humaines de façon similaire qu'elle soit ajoutée directement au milieu de culture ou qu'elle soit libérée par l'hydrogel chargé. De même, l'ATV régule de manière simultanée mais différentielle les gènes, en interférant avec le développement de l'HI. Nos expériences montrent que l'HI peut être diminuée in vitro grâce à cet hydrogel d'acide hyaluronique chargé en ATV. Ceci ouvre la porte au développement de futur dispositif permettant de relâcher des substances antisténotiques de façon continue, sur une durée prolongée, et in vivo.

Atorvastatin-loaded hydrogel affects the smooth muscle cells of human veins.

Intimal hyperplasia (IH) is the major cause of stenosis of vein grafts. Drugs such as statins prevent stenosis, but their systemic administration has limited effects. We developed a hyaluronic acid hydrogel matrix, which ensures a controlled release of atorvastatin (ATV) at the site of injury. The release kinetics demonstrated that 100% of ATV was released over 10 hours, independent of the loading concentration of the hydrogel. We investigated the effects of such a delivery on primary vascular smooth muscle cells isolated from human veins. ATV decreased the proliferation, migration, and passage of human smooth muscle cells (HSMCs) across a matrix barrier in a similar dose-dependent (5-10 µM) and time-dependent manner (24-72 hours), whether the drug was directly added to the culture medium or released from the hydrogel. Expression analysis of genes known to be involved in the development of IH demonstrated that the transcripts of both the gap junction protein connexin43 (Cx43) and plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1) were decreased after a 24-48-hour exposure to the hydrogel loaded with ATV, whereas the transcripts of the heme oxygenase (HO-1) and the inhibitor of tissue plasminogen activator were increased. At the protein level, Cx43, PAI-1, and metalloproteinase-9 expression were decreased, whereas HO-1 was upregulated in the presence of ATV. The data demonstrate that ATV released from a hydrogel has effects on HSMCs similar to the drug being freely dissolved in the environment.

Altérations anatomopathologiques liées au traitement par cerclage des globes oculaires atteints de décollement de rétine [Histological changes related to scleral buckling for treatment of retinal detachment].

Treatment of retinal detachment frequently uses biocompatible materials to obtain scleral buckling. These materials are not devoid of consequences on surrounding tissues. In 3 eyes enucleated for failure of surgical treatment using scleral buckling materials, the changes prompted by episcleral implants could be observed. The sclera underwent both an inversion of its curvature and a reduction of its thickness under the material, as well as an encapsulation of the material was observed. While a silicone sponge was used in part to encircle one of these eyes, its capsular inner surface was regular and smooth. In contrast, hydrogel implants used in the three eyes showed a peripheral fragmentation prompting in two of them a typical foreign body giant cell granulomatous reaction. Changes in scleral curvature and scleral thinning were observed reflecting the consequences of the buckling procedure. The capsule formation occurred as it does for any nonabsorbable matérial implanted in tissues. Degradation and fragmentation of the hydrogel material suscitated a granuloma in response to fragments. These hydrogel specific changes should be recognized on microscopic examination of slides of either capsule or eyes previously in contact with this implanted material. They attested of the instability of hydrogel after implantation.

The in vivo performance of magnetic particle-loaded injectable, in situ gelling, carriers for the delivery of local hyperthermia.

We investigated the use of in situ implant formation that incorporates superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) as a form of minimally invasive treatment of cancer lesions by magnetically induced local hyperthermia. We developed injectable formulations that form gels entrapping magnetic particles into a tumor. We used SPIONs embedded in silica microparticles to favor syringeability and incorporated the highest proportion possible to allow large heating capacities. Hydrogel, single-solvent organogel and cosolvent (low-toxicity hydrophilic solvent) organogel formulations were injected into human cancer tumors xenografted in mice. The thermoreversible hydrogels (poloxamer, chitosan), which accommodated 20% w/v of the magnetic microparticles, proved to be inadequate. Alginate hydrogels, however, incorporated 10% w/v of the magnetic microparticles, and the external gelation led to strong implants localizing to the tumor periphery, whereas internal gelation failed in situ. The organogel formulations, which consisted of precipitating polymers dissolved in single organic solvents, displayed various microstructures. A 8% poly(ethylene-vinyl alcohol) in DMSO containing 40% w/v of magnetic microparticles formed the most suitable implants in terms of tumor casting and heat delivery. Importantly, it is of great clinical interest to develop cosolvent formulations with up to 20% w/v of magnetic microparticles that show reduced toxicity and centered tumor implantation.

Magnetic and in vitro heating properties of implants formed in situ from injectable formulations and containing superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) embedded in silica microparticles for magnetically induced local hyperthermia

The biological and therapeutic responses to hyperthermia, when it is envisaged as an anti-tumor treatment modality, are complex and variable. Heat delivery plays a critical role and is counteracted by more or less efficient body cooling, which is largely mediated by blood flow. In the case of magnetically mediated modality, the delivery of the magnetic particles, most often superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs), is also critically involved. We focus here on the magnetic characterization of two injectable formulations able to gel in situ and entrap silica microparticles embedding SPIONs. These formulations have previously shown suitable syringeability and intratumoral distribution in vivo. The first formulation is based on alginate, and the second on a poly(ethylene-co-vinyl alcohol) (EVAL). Here we investigated the magnetic properties and heating capacities in an alternating magnetic field (141 kHz, 12 mT) for implants with increasing concentrations of magnetic microparticles. We found that the magnetic properties of the magnetic microparticles were preserved using the formulation and in the wet implant at 37 degrees C, as in vivo. Using two orthogonal methods, a common SLP (20 Wg(-1)) was found after weighting by magnetic microparticle fraction, suggesting that both formulations are able to properly carry the magnetic microparticles in situ while preserving their magnetic properties and heating capacities. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Does locally delivered Zoledronate influence peri-implant bone formation? - Spatio-temporal monitoring of bone remodeling in vivo.

Bisphosphonates are known for their strong inhibitory effect on bone resorption. Their influence on bone formation however is less clear. In this study we investigated the spatio-temporal effect of locally delivered Zoledronate on peri-implant bone formation and resorption in an ovariectomized rat femoral model. A cross-linked hyaluronic acid hydrogel was loaded with the drug and applied bilaterally in predrilled holes before inserting polymer screws. Static and dynamic bone parameters were analyzed based on in vivo microCT scans performed first weekly and then biweekly. The results showed that the locally released Zoledronate boosted bone formation rate up to 100% during the first 17 days after implantation and reduced the bone resorption rate up to 1000% later on. This shift in bone remodeling resulted in an increase in bone volume fraction (BV/TV) by 300% close to the screw and 100% further away. The double effect on bone formation and resorption indicates a great potential of Zoledronate-loaded hydrogel for enhancement of peri-implant bone volume which is directly linked to improved implant fixation.

Combined Electrostatic and Covalent Polymer Networks for Cell Microencapsulation

Two types of hydrogel microspheres have been developed. Fast ionotropic gelation of sodium alginate (Na-alg) in the presence of calcium ions was combined with slow covalent cross-linking of poly(ethylene glycol) (PEG) derivatives. For the first type, the fast obtainable Ca-alg hydrogel served as spherical matrix for the simultaneously occurring covalent cross-linking of multi-arm PEG derivative. A two-component interpenetrating network was formed in one step upon extruding the mixture of the two polymers into the gelation bath. For the second type, heterobifunctional PEG was grafted onto Na-alg prior to gelation. Upon extrusion of the polymer solution into the gelation bath, fast Ca-alg formation ensured the spherical shape and was accompanied by cross-linker-free covalent cross-linking of the PEG side chains. Thus, one-component hydrogel microspheres resulted. We present the physical properties of the hydrogel microspheres and demonstrate the feasibility of cell microencapsulation for both types of polymer networks.

Photopolymerizable hydrogels for implants: Monte-Carlo modeling and experimental in vitro validation.

Photopolymerization is commonly used in a broad range of bioapplications, such as drug delivery, tissue engineering, and surgical implants, where liquid materials are injected and then hardened by means of illumination to create a solid polymer network. However, photopolymerization using a probe, e.g., needle guiding both the liquid and the curing illumination, has not been thoroughly investigated. We present a Monte Carlo model that takes into account the dynamic absorption and scattering parameters as well as solid-liquid boundaries of the photopolymer to yield the shape and volume of minimally invasively injected, photopolymerized hydrogels. In the first part of the article, our model is validated using a set of well-known poly(ethylene glycol) dimethacrylate hydrogels showing an excellent agreement between simulated and experimental volume-growth-rates. In the second part, in situ experimental results and simulations for photopolymerization in tissue cavities are presented. It was found that a cavity with a volume of 152  mm3 can be photopolymerized from the output of a 0.28-mm2 fiber by adding scattering lipid particles while only a volume of 38  mm3 (25%) was achieved without particles. The proposed model provides a simple and robust method to solve complex photopolymerization problems, where the dimension of the light source is much smaller than the volume of the photopolymerizable hydrogel.

Stability of nanoparticle agglomerates under mechanical stress and its effects on their release into the air

L'exposition professionnelle aux nanomatériaux manufacturés dans l'air présente des risques potentiels pour la santé des travailleurs dans les secteurs de la nanotechnologie. Il est important de comprendre les scénarios de libération des aérosols de nanoparticules dans les processus et les activités associées à l'exposition humaine. Les mécanismes de libération, y compris les taux de libération et les propriétés physico-chimiques des nanoparticules, déterminent leurs comportements de transport ainsi que les effets biologiques néfastes. La distribution de taille des particules d'aérosols est l'un des paramètres les plus importants dans ces processus. La stabilité mécanique d'agglomérats de nanoparticules affecte leurs distributions de tailles. Les potentiels de désagglomération de ces agglomérats déterminent les possibilités de leur déformation sous énergies externes. Cela rend les changements possibles dans leur distribution de taille et de la concentration en nombre qui vont finalement modifier leurs risques d'exposition. Les conditions environnementales, telles que l'humidité relative, peuvent influencer les processus de désagglomération par l'adhérence de condensation capillaire de l'humidité. L'objectif général de cette thèse était d'évaluer les scénarios de libération des nanomatériaux manufacturés des processus et activités sur le lieu de travail. Les sous-objectifs étaient les suivants: 1. Etudier les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans des conditions environnementales variées. 2. Etudier la libération des nano-objets à partir de nanocomposites polymères; 3. Evaluer la libération de nanoparticules sur le lieu de travail dans des situations concrètes. Nous avons comparé différents systèmes de laboratoire qui présentaient différents niveau d'énergie dans l'aérosolisation des poudres. Des nanopoudres de TiO2 avec des hydrophilicités de surface distinctes ont été testées. Un spectromètre à mobilité électrique (SMPS), un spectromètre à mobilité aérodynamique (APS) et un spectromètre optique (OPC) ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de taille des particules. La microscopie électronique à transmission (TEM) a été utilisée pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Les propriétés des aérosols (distribution de taille et concentration en nombre) étaient différentes suivant la méthode employée. Les vitesses des flux d'air d'aérosolisation ont été utilisées pour estimer le niveau d'énergie dans ces systèmes, et il a été montré que les tailles modales des particules étaient inversement proportionnelles à la vitesse appliquée. En général, les particules hydrophiles ont des diamètres plus grands et des nombres inférieurs à ceux des particules hydrophobes. Toutefois, cela dépend aussi des méthodes utilisées. La vitesse de l'air peut donc être un paramètre efficace pour le classement de l'énergie des procédés pour des systèmes d'aérosolisation similaires. Nous avons développé un système laboratoire pour tester les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans l'air en utilisant des orifices critiques et un humidificateur. Sa performance a été comparée à un système similaire dans un institut partenaire. Une variété de nanopoudres différentes a été testée. Le niveau d'énergie appliquée et l'humidité ont été modifiés. Le SMPS et l'OPC ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de la taille. Un TEM a été utilisé pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Le diamètre moyen des particules a diminué et la concentration en nombre s'est accrue lorsque des énergies externes ont été appliquées. Le nombre de particules inférieures à 100 nm a été augmenté, et celui au-dessus de 350 nm réduits. Les conditions humides ont faits exactement le contraire, en particulier pour les petites particules. En outre, ils ont réduits les effets de la différence de pression due à l'orifice. Les résultats suggèrent que la désagglomération d'agglomérats de nanoparticules dans l'air est possible dans la gamme d'énergie appliquée. Cependant, l'atmosphère humide peut favoriser leur agglomération et améliorer leurs stabilités en réduisant la libération de nanoparticules dans l'environnement. Nous proposons d'utiliser notre système pour le test de routine des potentiels de désagglomération des nanomatériaux manufacturés et de les classer. Un tel classement faciliterait la priorisation de l'exposition et du risque encouru en fonction du niveau d'ENM. Un système de perçage automatique et un système de sciage manuel ont été développés pour étudier la libération de nanoparticules à partir de différents types de nanocomposites. La vitesse de perçage et taille de la mèche ont été modifiées dans les expériences. La distribution de taille des particules et leur concentration en nombre ont été mesurées par un SMPS et un miniature diffusion size classifier (DISCmini). Les distributions de nanoparticules dans les composites et les particules libérées ont été analysés par un TEM et un microscope électronique à balayage (SEM). Les tests de perçage ont libérés un plus grand nombre de particules que le sciage. Des vitesses de perçage plus rapide et les mèches plus grandes ont augmentés la génération de particules. Les charges de nanoparticules manufacturées dans les composites ne modifient pas leurs comportements de libération dans les expériences de perçage. Toutefois, le sciage différencie les niveaux de libération entre les composites et les échantillons blancs. De plus, les vapeurs de polymères ont été générées par la chaleur de sciage. La plupart des particules libérées sont des polymères contenant des nanoparticules ou sur leurs surface. Les résultats ont souligné l'importance du type de processus et paramètres pour déterminer la libération de nanoparticules de composites. Les émissions secondaires telles que les fumées polymères appellent à la nécessité d'évaluations de l'exposition et de risque pour de tels scénarios. Une revue systématique de la littérature sur le sujet de libérations de nanoparticules dans l'air dans les secteurs industriels et laboratoires de recherche a été effectuée. Des stratégies de recherche des informations pertinentes et de stockage ont été développées. Les mécanismes de libération, tels que la taille de particules d'aérosol et de leur concentration en nombre, ont été comparés pour différentes activités. La disponibilité de l'information contextuelle qui est pertinente pour l'estimation de l'exposition humaine a été évaluée. Il a été constaté que les données relatives à l'exposition ne sont pas toujours disponibles dans la littérature actuelle. Les propriétés des aérosols libérés semblent dépendre de la nature des activités. Des procédés à haute énergie ont tendance à générer des plus hauts niveaux de concentrations de particules dans les gammes de plus petite taille. Les résultats peuvent être utiles pour déterminer la priorité des procédés industriels pour l'évaluation les risques associés dans une approche à plusieurs niveaux. Pour l'évaluation de l'exposition, la disponibilité de l'information peut être améliorée par le développement d'une meilleure méthode de communication des données.