Monitoring healing progression and characterizing the mechanical environment in preclinical models for bone tissue engineering

The treatment of large segmental bone defects remains a significant clinical challenge. Due to limitations surrounding the use of bone grafts, tissue-engineered constructs for the repair of large bone defects could offer an alternative. Before translation of any newly developed tissue engineering (TE) approach to the clinic, efficacy of the treatment must be shown in a validated preclinical large animal model. Currently, biomechanical testing, histology, and microcomputed tomography are performed to assess the quality and quantity of the regenerated bone. However, in vivo monitoring of the progression of healing is seldom performed, which could reveal important information regarding time to restoration of mechanical function and acceleration of regeneration. Furthermore, since the mechanical environment is known to influence bone regeneration, and limb loading of the animals can poorly be controlled, characterizing activity and load history could provide the ability to explain variability in the acquired data sets and potentially outliers based on abnormal loading. Many approaches have been devised to monitor the progression of healing and characterize the mechanical environment in fracture healing studies. In this article, we review previous methods and share results of recent work of our group toward developing and implementing a comprehensive biomechanical monitoring system to study bone regeneration in preclinical TE studies.

Synthesis, Reactivity and Biological Activity of 17β-HSD1 Inhibitors Based on a Thieno[2,3-d]pryrimidin-4(3H)-one Core

Breast cancer is the most common cancer in women in Western countries. In the early stages of development most breast cancers are hormone-dependent, and estrogens, especially estradiol, have a pivotal role in their development and progression. One approach to the treatment of hormone-dependent breast cancers is to block the formation of the active estrogens by inhibiting the action of the steroid metabolising enzymes. 17beta-Hydroxysteroid dehydrogenase type 1 (17beta-HSD1) is a key enzyme in the biosynthesis of estradiol, the most potent female sex hormone. The 17beta-HSD1 enzyme catalyses the final step and converts estrone into the biologically active estradiol. Blocking 17beta-HSD1 activity with a specific enzyme inhibitor could provide a means to reduce circulating and tumour estradiol levels and thus promote tumour regression. In recent years 17beta-HSD1 has been recognised as an important drug target. Some inhibitors of 17beta-HSD1 have been reported, however, there are no inhibitors on the market nor have clinical trials been announced. The majority of known 17beta-HSD1 inhibitors are based on steroidal structures, while relatively little has been reported on non-steroidal inhibitors. As compared with 17beta-HSD1 inhibitors based on steroidal structures, non-steroidal compounds could have advantages of synthetic accessibility, drug-likeness, selectivity and non-estrogenicity. This study describes the synthesis of large group of novel 17beta-HSD1 inhibitors based on a non-steroidal thieno[2,3-d]pyrimidin-4(3H)-one core. An efficient synthesis route was developed for the lead compound and subsequently employed in the synthesis of thieno[2,3-d]pyrimidin-4(3H)-one based molecule library. The biological activities and binding of these inhibitors to 17beta-HSD1 and, finally, the quantitative structure activity relationship (QSAR) model are also reported. In this study, several potent and selective 17beta-HSD1 inhibitors without estrogenic activity were identified. This establishment of a novel class of inhibitors is a progressive achievement in 17beta-HSD1 inhibitor development. Furthermore, the 3D-QSAR model, constructed on the basis of this study, offers a powerful tool for future 17beta-HSD1 inhibitor development. As part of the fundamental science underpinning this research, the chemical reactivity of fused (di)cycloalkeno thieno[2,3-d]pyrimidin-4(3H)-ones with electrophilic reagents, i.e. Vilsmeier reagent and dimethylformamide dimethylacetal, was investigated. These findings resulted in a revision of the reaction mechanism of Vilsmeier haloformylation and further contributed to understanding the chemical reactivity of this compound class. This study revealed that the reactivity is dependent upon a stereoelectronic effect arising from different ring conformations.

Organized Nanostructures of Thermoresponsive Poly(N-isopropylacrylamide) Block Copolymers Obtained Through Controlled RAFT Polymerization

Kontrolloidut radikaalipolymerointimenetelmät, kuten RAFT-polymerointi, ovat moderni tapa valmistaa polymeerejä säädellysti. RAFT-polymeroinnilla polymeerien ketjunpituutta, moolimassajakaumaa, mikrorakennetta (taktisuus, järjestys), koostumusta ja funktionaalisuutta kyetään hallitsemaan. Siten menetelmällä voidaan valmistaa uudenlaisia polymeeriarkkitektuureja, kuten blokki- ja tähtipolymeerejä, sekä hybridimateriaaleja ja biokonjugaatteja. Polymeeristen rakennuspalikoiden itsejärjestyminen, missä huolellisesti syntetisoidut polymeerit järjestyvät halutulla tavalla nanoskaalassa, on suosittu tutkimuskohde materiaalitieteessä. On huomattava, että blokkipolymeerien itsejärjestyminen on vielä suhteellisen nuori tutkimusaihe. Tämän hetkiset polymeeriset nanomateriaalit ovat suhteellisen yksinkertaisia luonnon luomuksiin verrattuina, tarjoten jatkuvasti uusia mahdollisuuksia seuraavan sukupolven polymeereille. Tässä työssä RAFT-polymeroinnilla syntetisoitiin amfifiilisiä di- ja triblokkikopolymeerejä sekä tutkittiin niiden järjestymistä nanorakenteiksi. Kaikissa blokkikopolymeereissä käytettiin lämpöherkkää poly(N-isopropyyliakryyliamidia). Siten polymeerit ja tutkitut materiaalit reagoivat lämpötilanmuutokseen ympäristössä eli ovat ns. ympäristöherkkiä. Työssä tutkittiin taktisuuden kontrollointia N-isopropyyliakryyliamidin RAFT-polymeroinnissa. Polymeerin taktisuutta sekä ketjunpituutta ja blokkijärjestystä säätämällä voitiin hallita polymeerin itsejärjestymistä vesiliuoksessa. Amfifiiliset polymeerit järjestyivät laimeissa vesiliuoksissa erilaisiksi misellirakenteiksi, muodostaen ns. mikrosäiliöitä. Tällaisilla polymeereillä odotetaan olevan sovelluksia esim. lääkeainevapautuksessa. Amfifiilejä käytetään myös esimerkiksi apuaineina pinnoitteissa ja kosmetiikassa. Kiinteässä tilassa tutkitut triblokkikopolymeerit muodostivat teoreettisesti ennustettuja morfologioita. Lämpöherkän materiaalin hydrogeelit toimivat suodatinmembraanina nanokokoluokassa. RAFT-polymeroinnilla syntetisoituja polymeereja voidaan sellaisenaan käyttää kultananopartikkeleiden päällystämiseen. Kultananopartikkelit ovat erittäin kiinostavia mm. niiden stabiilisuuden ja ainutlaatuisten pintaominaisuuksien vuoksi. Kun amfifiilisiä polymeerejä kiinnitettiin kultapartikkelin pinnalle, sen liuos- ja optisia ominaisuuksia voitiin säädellä pH:n ja lämpötilan avulla. Tällaisilla kultananopartikkeleilla on sovelluksia mm. diagnostiikassa, sensoreina ja solukuvauksessa.