Evolution of Antimicrobial Peptides to Self-Assembled Peptides for Biomaterial Applications

Biomaterial-related infections are a persistent burden on patient health, recovery, mortality and healthcare budgets. Self-assembled antimicrobial peptides have evolved from the area of antimicrobial peptides. Peptides serve as important weapons in nature, and increasingly medicine, for combating microbial infection and biofilms. Self-assembled peptides harness a “bottom-up” approach, whereby the primary peptide sequence may be modified with natural and unnatural amino acids to produce an inherently antimicrobial hydrogel. Gelation may be tailored to occur in the presence of physiological and infective indicators (e.g. pH, enzymes) and therefore allow local, targeted antimicrobial therapy at the site of infection. Peptides demonstrate inherent biocompatibility, antimicrobial activity, biodegradability and numerous functional groups. They are therefore prime candidates for the production of polymeric molecules that have the potential to be conjugated to biomaterials with precision. Non-native chemistries and functional groups are easily incorporated into the peptide backbone allowing peptide hydrogels to be tailored to specific functional requirements. This article reviews an area of increasing interest, namely self-assembled peptides and their potential therapeutic applications as innovative hydrogels and biomaterials in the prevention of biofilm-related infection.

Self-Assembled Supramolecular Gels of Reverse Poloxamers and Cyclodextrins

A series of supramolecular aggregates were prepared using a poly(propylene oxide) poly(ethylene oxide) poly(propylene oxide) (PPO-PEO-PPO) block copolymer and beta- or alpha-cyclodextrins (CD). The combination of beta-CD and the copolymer yields inclusion complexes (IC) with polypseudorotaxane structures. These are formed by complexation of the PPO blocks with beta-CD molecules producing a powder precipitate with a certain crystallinity degree that can be evaluated by X-ray diffraction (XRD). In contrast, when combining alpha-CD with the block copolymer, the observed effect is an increase in the viscosity of the mixtures, yielding fluid gels. Two cooperative effects come into play: the complexation of PEO blocks with alpha-CD and the hydrophobic interactions between PPO blocks in aqueous media. These two combined interactions lead to the formation of a macromoleculaf network. The resulting fluid gels were characterized using different techniques such as differential scanning calorimetry (DSC), viscometry, and XRD measurements.

In Vitro Release from Reverse Poloxamine/alpha-Cyclodextrin Matrices: Modelling and Comparison of Dissolution Profiles

Gels obtained by complexation of octablock star polyethylene oxide/polypropylene oxide copolymers (Tetronic 90R4) with -cyclodextrin (-CD) were evaluated as matrices for drug release. Both molecules are biocompatible so they can be potentially applied to drug delivery systems. Two different types of matrices of Tetronic 90R4 and -CD were evaluated: gels and tablets. These gels are capable to gelifying in situ and show sustained erosion kinetics in aqueous media. Tablets were prepared by freeze-drying and comprising the gels. Using these two different matrices, the release of two model molecules, L-tryptophan (Trp), and a protein, bovine serum albumin (BSA), was evaluated. The release profiles of these molecules from gels and tablets prove that they are suitable for sustained delivery. Mathematical models were applied to the release curves from tablets to elucidate the drug delivery mechanism. Good correlations were found for the fittings of the release curves to different equations. The results point that the release of Trp from different tablets is always governed by Fickian diffusion, whereas the release of BSA is governed by a combination of diffusion and tablet erosion. 

A proposed model membrane and test method for microneedle insertion studies

A commercial polymeric film (Parafilm M (R), a blend of a hydrocarbon wax and a polyolefin) was evaluated as a model membrane for microneedle (MN) insertion studies. Polymeric MN arrays were inserted into Parafilm M (R) (PF) and also into excised neonatal porcine skin. Parafilm M (R) was folded before the insertions to closely approximate thickness of the excised skin. Insertion depths were evaluated using optical coherence tomography (OCT) using either a force applied by a Texture Analyser or by a group of human volunteers. The obtained insertion depths were, in general, slightly lower, especially for higher forces, for PF than for skin. However, this difference was not a large, being less than the 10% of the needle length. Therefore, all these data indicate that this model membrane could be a good alternative to biological tissue for MN insertion studies. As an alternative method to OCT, light microscopy was used to evaluate the insertion depths of MN in the model membrane. This provided a rapid, simple method to compare different MN formulations. The use of Parafilm M (R), in conjunction with a standardised force/time profile applied by a Texture Analyser, could provide the basis for a rapid MN quality control test suitable for in-process use. It could also be used as a comparative test of insertion efficiency between candidate MN formulations. 

Microwave-Assisted Preparation of Hydrogel-Forming Microneedle Arrays for Transdermal Drug Delivery Applications

A microwave (MW)-assisted crosslinking process to prepare hydrogel-forming microneedle (MN) arrays was evaluated. Conventionally, such MN arrays are prepared using processes that includes a thermal crosslinking step. Polymeric MN arrays were prepared using poly(methyl vinyl ether-alt-maleic acid) crosslinked by reaction with poly(ethylene glycol) over 24 h at 80 °C. Polymeric MN arrays were prepared to compare conventional process with the novel MW-assisted crosslinking method. Infrared spectroscopy was used to evaluate the crosslinking degree, evaluating the area of the carbonyl peaks (2000–1500 cm−1). It was shown that, by using the MW-assisted process, MN with a similar crosslinking degree to those prepared conventionally can be obtained in only 45 min. The effects of the crosslinking process on the properties of these materials were also evaluated. For this purpose swelling kinetics, mechanical characterisation, and insertion studies were performed. The results suggest that MN arrays prepared using the MW assisted process had equivalent properties to those prepared conventionally but can be produced 30 times faster. Finally, an in vitro caffeine permeation across excised porcine skin was performed using conventional and MW-prepared MN arrays. The release profiles obtained can be considered equivalent, delivering in both cases 3000–3500 μg of caffeine after 24 h.

Insulin and insulin-like growth factor signaling increases proliferation and hyperplasia of the ovarian surface epithelium and decreases follicular integrity through upregulation of the PI3-kinase pathway

BACKGROUND: The ovarian surface epithelium responds to cytokines and hormonal cues to initiate proliferation and migration following ovulation. Although insulin and IGF are potent proliferative factors for the ovarian surface epithelium and IGF is required for follicle development, increased insulin and IGF activity are correlated with at least two gynecologic conditions: polycystic ovary syndrome and epithelial ovarian cancer. Although insulin and IGF are often components of in vitro culture media, little is known about the effects that these growth factors may have on the ovarian surface epithelium morphology or how signaling in the ovarian surface may affect follicular health and development.

METHODS: Ovaries from CD1 mice were cultured in alginate hydrogels in the presence or absence of 5 μg/ml insulin or IGF-I, as well as small molecule inhibitors of IR/IGF1R, PI 3-kinase signaling, or MAPK signaling. Tissues were analyzed by immunohistochemistry for expression of cytokeratin 8 to mark the ovarian surface epithelium, Müllerian inhibiting substance to mark secondary follicles, and BrdU incorporation to assess proliferation. Changes in gene expression in the ovarian surface epithelium in response to insulin or IGF-I were analyzed by transcription array. Extracellular matrix organization was evaluated by expression and localization of collagen IV.

RESULTS: Culture of ovarian organoids with insulin or IGF-I resulted in formation of hyperplastic OSE approximately 4-6 cell layers thick with a high rate of proliferation, as well as decreased MIS expression in secondary follicles. Inhibition of the MAPK pathway restored MIS expression reduced by insulin but only partially restored normal OSE growth and morphology. Inhibition of the PI 3-kinase pathway restored MIS expression reduced by IGF-I and restored OSE growth to a single cell layer. Insulin and IGF-I altered organization of collagen IV, which was restored by inhibition of PI 3-kinase signaling.

CONCLUSIONS: While insulin and IGF are often required for propagation of primary cells, these cytokines may act as potent mitogens to disrupt cell growth, resulting in formation of hyperplastic OSE and decreased follicular integrity as measured by MIS expression and collagen deposition. This may be due partly to altered collagen IV deposition and organization in the ovary in response to insulin and IGF signaling mediated by PI 3-kinase.

Hydrogel antimicrobial capture coatings for endotracheal tubes; a pharmaceutical strategy designed to prevent ventilator-associated pneumonia.

This paper presents a novel strategy for the prevention of ventilator-associatedpneumonia that involves coating poly(vinyl chloride, PVC) endotracheal tubes (ET) withhydrogels that may be subsequently used to entrap nebulized antimicrobial solutions. Candidatehydrogels were prepared containing a range of ratios of hydroxyethyl methacrylate (HEMA) andmethacrylic acid (MAA) from 100:0 to 70:30 using free radical polymerization and, whenrequired, simultaneous attachment to PVC was performed. The mechanical properties, glasstransition temperatures, swelling kinetics, uptake of gentamicin from an aqueous medium, andgentamicin release were characterized. Increasing the MAA content of the hydrogels significantlydecreased the ultimate tensile strength, % elongation at break, Young’s modulus, and increasedthe glass transition temperature, the swelling ratio, and gentamicin uptake. Microbial(Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa) adherence to control (drug-free) hydrogelswas observed; however, while adherence to gentamicin-containing p(HEMA) occurred, noadherence occurred to gentamicin-containing HEMA:MAA copolymers. Antimicrobialpersistence of gentamicin-containing hydrogels was examined by determining the zone ofinhibition against each microorganism on successive days. Hydrogel composition affected the observed antimicrobial persistence,with the hydrogel composed of 70:30 HEMA:MAA exhibiting >20 days persistence against S. aureus and P. aeruginosa,respectively. To simulate clinical use, the hydrogels (coated onto PVC) were first exposed to a nebulized solution of gentamicin(4 mL, 80 mg for 20 min), and then to nebulized bacteria (4 mL ca. 1 × 109 colony forming units mL−1, 30 min). Viable bacteriawere not observed on the gentamicin-treated p(HEMA: MAA) copolymers, whereas growth was observed on gentamicin-treatedp(HEMA). In light of the excellent antimicrobial activity and physicochemical properties, p(HEMA: MAA) copolymerscomposed of ratios of 80:20 or 70:30 HEMA: MAA were identified as potentially useful coatings of endotracheal tubes to be usedin conjunction with the clinical nebulization of gentamicin and designed for the prevention of ventilator-associated pneumonia

Ultrashort self-assembling peptidomimetic nanomaterials target resistant pathogenic infections

The impending and increasing threat of antimicrobial resistance has led to a greater focus into developing alternative therapies as substitutes for traditional antibiotics for the treatment of multi-drug resistant infections.1 Our group has developed a library of short, cost-effective, diphenylalanine-based peptides (X1-FF-X2) which selective eradicate (viability reduced >90% in 24 hours) the most resistant biofilm forms of a range of Gram-positive and negative pathogens including: methicillin resistant and sensitive Staphyloccoccus aureus and Staphyloccoccus epidermidis; Pseudomonas aeruginosa, Proteus mirabilis and Escherichia coli. They demonstrate a reduced cell cytotoxic profile (NCTC929 murine fibroblast) and limited haemolysis.2 Our molecules have the ability respond to subtle changes in pH, associated with bacterial infection, self-assembling to form β-sheet secondary structures and supramolecular hydrogels at low concentrations (~0.5%w/v). Conjugation of variety of aromatic-based drugs at the X1 position, including non-steroidal anti-inflammatories (NSAIDs), confer further pharmacological properties to the peptide motif enhancing their therapeutic potential. In vivo studies using waxworms (Galleria mellonella) provide promising preliminary results demonstrating the low toxicity and high antimicrobial activity of these low molecular weight gelators in animal models. This work shows biofunctional peptide-based nanomaterials hold great promise for future translation to patients as antimicrobial drug delivery and biomaterial platforms.3 [1] G. Laverty, S.P. Gorman and B.F. Gilmore. Int.J.Mol.Sci. 2011, 12, 6566-6596. [2] G. Laverty, A.P. McCloskey, B.F. Gilmore, D.S. Jones, J Zhou, B Xu. Biomacromolecules. 2014, 15, 9, 3429-3439. [3] A.P. McCloskey, B.F. Gilmore and G.Laverty. Pathogens. 2014, 3, 791-821.

Programmable Logic-Based Delivery of Small-Molecule Therapeutics from Gels

Thesis (Master's)--University of Washington, 2015

Formation et propriétés des cristaux colloïdaux issus de l’auto-assemblage de microsphères de polymère

Le besoin pour des biocapteurs à haute sensibilité mais simples à préparer et à utiliser est en constante augmentation, notamment dans le domaine biomédical. Les cristaux colloïdaux formés par des microsphères de polymère ont déjà prouvé leur fort potentiel en tant que biocapteurs grâce à l’association des propriétés des polymères et à la diffraction de la lumière visible de la structure périodique. Toutefois, une meilleure compréhension du comportement de ces structures est primordiale avant de pouvoir développer des capteurs efficaces et polyvalents. Ce travail propose d’étudier la formation et les propriétés des cristaux colloïdaux résultant de l’auto-assemblage de microsphères de polymère en milieu aqueux. Dans ce but, des particules avec différentes caractéristiques ont été synthétisées et caractérisées afin de corréler les propriétés des particules et le comportement de la structure cristalline. Dans un premier temps, des microsphères réticulées de polystyrène anioniques et cationiques ont été préparées par polymérisation en émulsion sans tensioactif. En variant la quantité de comonomère chargé, le chlorure de vinylbenzyltriméthylammonium ou le sulfonate styrène de sodium, des particules de différentes tailles, formes, polydispersités et charges surfaciques ont été obtenues. En effet, une augmentation de la quantité du comonomère ionique permet de stabiliser de façon électrostatique une plus grande surface et de diminuer ainsi la taille des particules. Cependant, au-dessus d’une certaine concentration, la polymérisation du comonomère en solution devient non négligeable, provoquant un élargissement de la distribution de taille. Quand la polydispersité est faible, ces microsphères chargées, même celles non parfaitement sphériques, peuvent s’auto-assembler et former des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible. Il semble que les répulsions électrostatiques créées par les charges surfaciques favorisent la formation de la structure périodique sur un grand domaine de concentrations et améliorent leur stabilité en présence de sel. Dans un deuxième temps, le besoin d’un constituant stimulable nous a orientés vers les structures cœur-écorce. Ces microsphères, synthétisées en deux étapes par polymérisation en émulsion sans tensioactif, sont formées d’un cœur de polystyrène et d’une écorce d’hydrogel. Différents hydrogels ont été utilisés afin d’obtenir des propriétés différentes : le poly(acide acrylique) pour sa sensibilité au pH, le poly(N-isopropylacrylamide) pour sa thermosensibilité, et, enfin, le copolymère poly(N-isopropylacrylamide-co-acide acrylique) donnant une double sensibilité. Ces microsphères forment des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible à partir d’une certaine concentration critique et pour un large domaine de concentrations. D’après les changements observés dans les spectres de diffraction, les stimuli ont un impact sur la structure cristalline mais l’amplitude de cet effet varie avec la concentration. Ce comportement semble être le résultat des changements induits par la transition de phase volumique sur les interactions entre particules plutôt qu’une conséquence du changement de taille. Les interactions attractives de van der Waals et les répulsions stériques sont clairement affectées par la transition de phase volumique de l’écorce de poly(N-isopropylacrylamide). Dans le cas des microsphères sensibles au pH, les interactions électrostatiques sont aussi à considérer. L’effet de la concentration peut alors être mis en relation avec la portée de ces interactions. Finalement, dans l’objectif futur de développer des biocapteurs de glucose, les microsphères cœur-écorce ont été fonctionnalisées avec l’acide 3-aminophénylboronique afin de les rendre sensibles au glucose. Les effets de la fonctionnalisation et de la complexation avec le glucose sur les particules et leur empilement périodique ont été examinés. La structure cristalline est visiblement affectée par la présence de glucose, même si le mécanisme impliqué reste à élucider.

Préparations de docosanol nanoformulées pour usage topique

La réduction de la taille des particules jusqu’à l’obtention de nanocristaux est l’une des approches utilisées afin d’améliorer la pénétration cutanée des médicaments à usage topique. Nous proposons que la fabrication d’une formulation semi solide (hydrogel) à base de nanosuspension de docosanol, aboutira à une diffusion du principe actif supérieure à celle du produit commercial Abreva®, à travers des membranes synthétiques de polycarbonates. Le broyage humide est la technique proposée pour la production des nanoparticules de docosanol. Nous proposons aussi la préparation d’une formulation semi-solide (hydrogel) à usage topique à partir de la nanosuspension de docosanol. La nanosuspension de docosanol est obtenue par dispersion du docosanol en solution aqueuse en présence du polymère stabilisant hydroxypropylcellulose (HPC) et du surfactant laurylsulfate de sodium (SDS) suivi d’un broyage humide à faible ou à haute énergie. L’hydrogel de docosanol nanoformulé est préparé à l’aide de la nanosuspension de docosanol qui subit une gélification par le carbopol Ultrez 21 sous agitation mécanique suivie d’une neutralisation au triéthanolamine TEA. La taille des particules de la nanosuspension et de l’hydrogel a été déterminée par diffusion dynamique de la lumière (DLS). Une méthode analytique de chromatographie liquide à haute performance (HPLC) munie d’un détecteur évaporatif (ELSD) a été développée et validée pour évaluer la teneur de docosanol dans les préparations liquides, dans les différentes nanosuspensions et dans les hydrogels de docosanol. L’état de cristallinité des nanocristaux dans la nanosuspension et dans l’hydrogel a été étudié par calorimétrie différentielle à balayage. La morphologie de la nanosuspension et de l’hydrogel de docosanol a été examinée par microscopie électronique à balayage (MEB). Les propriétés rhéologiques et de stabilité physique à différentes températures ont été aussi étudiées pour la formulation semi-solide (hydrogel). De même, la libération in vitro du docosanol contenu dans l’hydrogel et dans le produit commercial Abreva® a été étudiée à travers deux membranes de polycarbonates de taille de pores 400 et 800 nm. Dans le cas de nanosuspensions, des cristaux de docosanol de taille nanométrique ont été produits avec succès par broyage humide. Les nanoparticules de tailles variant de 197 nm à 312 nm ont été produites pour des pourcentages différents en docosanol, en polymère HPC et en surfactant SDS. Après lyophilisation, une augmentation de la taille dépendant de la composition de la formulation a été observée tout en restant dans la gamme nanométrique pour la totalité presque des formulations étudiées. Dans le cas des hydrogels examinés, la taille moyenne des particules de docosanol est maintenue dans la gamme nanométrique avant et après lyophilisation. L’analyse thermique des mélanges physiques, des nanosuspensions et des hydrogels de docosanol a révélé la conservation de l’état de cristallinité des nanocristaux de docosanol après broyage et aussi après gélification. L’examen par microscopie électronique à balayage (MEB) a montré que la nanosuspension et l’hydrogel ont tous deux une morphologie régulière et les nanoparticules ont une forme sphérique. De plus les nanoparticules de la nanosuspension ont presque la même taille inférieure à 300 nm en accord avec le résultat obtenu par diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les nanoparticules de l’hydrogel ont une légère augmentation de taille par rapport à celle de la nanosuspension, ce qui est en accord avec les mesures de DLS. D’après les mesures rhéologiques, l’hydrogel de docosanol a un comportement pseudoplastique et un faible degré de thixotropie. L’étude de stabilité physique a montré que les formulations d’hydrogel sont stables à basse température (5°C) et à température ambiante (21°C) pendant une période d’incubation de 13 semaines et instable au-delà de 30°C après deux semaines. La méthode HPLC-ELSD a révélé des teneurs en docosanol comprises entre 90% et 110% dans le cas des nanosuspensions et aux alentours de 100% dans le cas de l’hydrogel. L’essai de diffusion in vitro a montré qu’il y a diffusion de docosanol de l’hydrogel à travers les membranes de polycarbonates, qui est plus marquée pour celle de pore 800 nm, tandis que celui du produit commercial Abreva® ne diffuse pas. Le broyage humide est une technique bien adaptée pour la préparation des nanosuspensions docosanol. Ces nanosuspensions peuvent être utilisée comme base pour la préparation de l’hydrogel de docosanol nanoformulé.

2D, 3D and 4D active compound delivery in tissue engineering and regenerative medicine

Recent advances in tissue engineering and regenerative medicine have shown that controlling cells microenvironment during growth is a key element to the development of successful therapeutic system. To achieve such control, researchers have first proposed the use of polymeric scaffolds that were able to support cellular growth and, to a certain extent, favor cell organization and tissue structure. With nowadays availability of a large pool of stem cell lines, such approach has appeared to be rather limited since it does not offer the fine control of the cell micro-environment in space and time (4D). Therefore, researchers are currently focusing their efforts on developing strategies that include active compound delivery systems in order to add a fourth dimension to the design of 3D scaffolds. This review will focus on recent concepts and applications of 2D and 3D techniques that have been used to control the load and release of active compounds used to promote cell differentiation and proliferation in or out of a scaffold. We will first present recent advances in the design of 2D polymeric scaffolds and the different techniques that have been used to deposit molecular cues and cells in a controlled fashion. We will continue presenting the recent advances made in the design of 3D scaffolds based on hydrogels as well as polymeric fibers and we will finish by presenting some of the research avenues that are still to be explored.

Investigations on the preparation of composite polysaccharide films and micro / nanoparticles for novel applications

chemical Sciences and Technology Division, National Institute for Interdisciplinary Science and Technology, CSIR

Development of thermoplastic conducting polymer composites based on polyaniline and polythiophenes for microwave and electrical applications

The microwave and electrical applications of some important conducting polymers are analyzed in this investigation.One of the major drawbacks of conducting polymers is their poor processability,and a solution to overcome this is sought in this investigation.Conducting polymer thermoplastic composites were prepared by the insitu polymerization method to improve the extent of miscibility probably to a semi IPN level.The attractive features of the conducting composite developed are excellent processability,good microwave and electrical conductivity,good microwave absorption,load sensitivity and satisfactory mechanical properties.The composite shows typical frequency selective microwave absorption and refelection behaviors.

Evaluation von SINUS-Hessen 2005 - 2007

Unter dem Namen SINUS werden seit über 10 Jahren bundesweit erfolgreiche Projekte zur Weiterentwicklung des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts durchgeführt. Das Projekt SINUS-Quest, dessen Abschlussbericht hier vorgelegt wird, entstand aus dem Anliegen der Projektleitung von SINUS-Hessen, eine eigene Evaluation des hessischen Projektes SINUS-Transfer (2005 – 2007) durchzuführen. Die Evaluation sollte nicht nur summativ sein, sondern den SINUS-Prozess selber mit beeinflussen. Dazu sollten schulspezifische Befragungsergebnisse an die einzelnen Schulen zurückgemeldet werden, und zwar unter Bezugnahme auf den hessischen Durchschnitt, um die Stärken und den Entwicklungsbedarf einzelner Schulteams gezielt identifizieren und bei der Weiterentwicklung berücksichtigen zu können. Im Jahre 2005 wurde die Projektgruppe SINUS-Quest für die Konzipierung und die Durchführung des Evaluationsprojektes gegründet, und zwar als Kooperationsprojekt zwischen der SINUS-Projektleitung, dem Institut für Qualitätsentwicklung (IQ) in Wiesbaden, vertreten durch die Arbeitseinheit für „Empirische Fundierung der Schulentwicklung und Qualitätssicherung der Evaluation“ und der mathematikdidaktischen Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Rolf Biehler an der Universität Kassel. An der Vorbefragung haben ca. 2000 hessische Lehrerinnen und Lehrer teilgenommen, an der Nachbefragung ca. 1200. Ihnen allen sei an dieser Stelle für die aktive Mitarbeit herzlich gedankt. Wir bedanken uns besonders herzlich bei den Set-Koordinatoren und Koordinatorinnen und den SINUS-Schulprojektleitungen, ohne die der sehr gute Rücklauf unserer Fragebögen nicht zustande gekommen wäre. Ein herzlicher Dank geht auch an das Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften (IPN) in Kiel, das als SINUS-Projektträger SINUS-Quest finanziell gefördert hat. Kassel, im September 2009 Rolf Biehler, Pascal Fischer, Christoph Maitzen, Carmen Maxara, Tanja Nieder