<p>Biotherapeutics, such as monoclonal antibodies (mAbs), represent a primary mechanism for treatment of human disease, and there has been a steady increase in Food and Drug Administration approvals since the first one in 1982. Subcutaneous (SC) injection of protein-based therapeutics is a convenient and clinically established drug delivery method that increases the convenience and reduces cost compared to other delivery methods. However, progress is needed to optimize bioavailability via this route. This dissertation describes the methods for evaluation of mass transport of high molecular weight proteins, such as mAbs, following SC injection using <em>in vitro</em> and <em>ex vivo</em> modeling developed to describe the factors relevant for optimal distribution prior to uptake into systemic circulation. The first chapter describes a novel collagen and hyaluronic acid (HA) based hydrogel for investigation of macromolecule transport based on the physiochemical properties of the diffusing molecule and the tissue matrix. This initial study demonstrated that, in collagen alone, collagen combined with HA, and HA alone, the molecules demonstrated different transport paradigms dependent primarily on molecule size, matrix viscosity, and electrostatic charge, respectively. This showed that the local tissue heterogeneity and therapeutic properties could be determining factors for molecule transport and bioavailability. The second, third, and fourth chapters describe two novel platforms for the investigation of injection plume formation in SC tissue utilizing three-dimensional X-ray tomography. Injection plume analysis has been studied comprehensively in the context of insulin transport using co-injection of radiopaque dyes to track the protein distribution. However high molecular weight therapeutics have vastly different physiochemical properties than insulin and are injected under different rates, concentrations, volumes, and viscosities due to dosing considerations. To address the gap mAb distribution, we first developed a novel protein conjugated to an x-ray contrast agent to directly track injection plume formation and investigated the effects of injection rate and tissue location through injections into ex vivo porcine tissue, described in chapters three and four. Ex vivo tissue analysis showed that the rate did not influence the distribution, however, plume volume was lower in porcine belly compared to neck tissue. Whereas porcine tissue is an excellent model to represent the structural features of human injection, the large heterogeneity between animal subjects and collected samples is a disadvantage. Therefore, the fourth chapter describes the fabrication of a gelatin hydrogel-based injection platform representing the dermal and subcutaneous tissue layers for controlled injection plume analysis. In summary, all three models represent useful platforms for the assessment of macromolecular mass transport, pharmaceutical autoinjector performance, as well as the potential impact of tissue properties and intersubject heterogeneity on plume formation. Overall, the findings in these studies might better inform drug designers and clinicians on how to most optimally engineer an injection to deliver the most efficient patient outcomes through better dosing and increased cost savings. </p>

No description available.

<p>While eye drops are a well-accepted and convenient method for ocular drug delivery, they exhibit significant limitations such as poor drug bioavailability, low ocular residence time, pulsatile delivery profiles in the tear fluid as well as the need for patient compliance. Silicone hydrogel (SH) contact lenses have been proposed as alternative ocular drug delivery systems due to their potential for targeted delivery to the corneal surface and high oxygen permeability. The ability of novel hyaluronic acid (HA)-containing silicone hydrogel materials to release timolol maleate (TM), an antiglaucoma drug, or ketotifen fumarate (KF), an anti-histamine administered for ocular allergies, was examined.</p> <p>The releasable wetting and the therapeutic agent were added to the pre-polymer mixture of the SH during synthesis through direct entrapment, while the reaction was performed by UV induced free-radical. The impact of the wetting agent on the swellability, surface wettability, optical transparency and <em>in vitro </em>drug release was studied.</p> <p>Simultaneous drug and wetting agent incorporation resulted in modified SH materials with slightly increased water content and significantly improved surface wettability. In addition, the optical transparency of these materials was not affected by drug loading. However, direct entrapment of HA decreased their optical clarity. <em>In vitro</em> release showed that TM was released over a 14 day period, whereas KF release lasted up to 36 days. For both therapeutic agents used in the current research, non-covalent entrapment of wetting agent and its MW did not significantly change the release kinetics, however the release rate of TM was slowed and controlled by the release of the HA, due to electrostatic interactions between the protonated TM and the anionic HA.</p> <p>The development of SH materials capable of simultaneously releasing a therapeutic and a wetting agent for an extended period of time and in a sustained manner can have a significant potential as extended drug delivery systems for the treatment of front of the eye diseases while also possibly providing comfort during wear.</p> / Master of Applied Science (MASc)

[EN] Articular cartilage is a tissue with low capacity for self-restoration due to its avascularity and low cell population. It is located on the surface of the subchondral bone covering the diarthrodial joints. Degeneration of articular cartilage can appear in athletes, in people with genetic degenerative processes (osteoarthritis or rheumatoid arthritis) or due to a trauma; what produces pain, difficulties in mobility and progressive degeneration that finally leads to joint failure. Self-restoration is only produced when the defect reaches the subchondral bone and bone marrow mesenchymal stem cells (MSCs) invade the defect. However, this new formed tissue is a fibrocartilaginous type cartilage and no a hyaline cartilage, which finally leads to degeneration. Transplantation of autologous chondrocytes has been proposed to regenerate articular cartilage but this therapy fails mainly to the absence of a material support (scaffold) for the adequate stimulation of cells. Matrix-induced autologous chondrocyte implantation uses a collagen hydrogel as scaffold for chondrocytes; however, it does not have the adequate mechanical properties, does not provide the biological cues for cells and regenerated tissue is not articular cartilage but fibrocartilage. Different approaches have been done until now in order to obtain a scaffold that mimics better articular cartilage properties and composition. Hydrogels are a good option as they retain high amounts of water, in a similar way to the natural tissue, and can closely mimic the composition of natural tissue by the combination of natural derived hydrogels. Their three-dimensionality plays a critical role in articular cartilage tissue engineering to maintain chondrocyte function, since monolayer culture of chondrocytes makes them dedifferentiate towards a fibroblast-like phenotype secreting fibrocartilage. Recently, injectable hydrogels have attracted attention for the tissue engineering of articular cartilage due to their ability to encapsulate cells, injectability in the injury with minimal invasive surgeries and adaptability to the shape of the defect. Following this new approach we aimed at synthesizing two new families of injectable hydrogels based on the natural protein gelatin for the tissue engineering of articular cartilage. The first series of materials consisted on the combination of injectable gelatin with loose reinforcing polymeric microfibers to obtain injectable composites with improved mechanical properties. Our results demonstrate that there is an influence of the shape and distribution of the fibers in the mechanical properties of the composite. More importantly bad fiber-matrix interaction is not able to reinforce the hydrogel. Due to this, our composites were optimized by improving matrix-fiber interaction through a hydrophilic grafting onto the microfibers, with very successful results. The second series of materials were inspired in the extracellular matrix of articular cartilage and consisted of injectable mixtures of gelatin and hyaluronic acid. Gelatin molecules in the mixtures provided integrin adhesion sites to cells, and hyaluronic acid increased the mechanical properties of gelatin. This combination demonstrated ability for the differentiation of MSCs towards the chondrocytic lineage and makes these materials very good candidates for the regeneration of articular cartilage. The last part of this thesis is dedicated to the synthesis of a non-biodegradable material with mechanical properties, swelling and permeability similar to cartilage. This material intends to be used as a platform in a bioreactor in which the typical loads of the joint are simulated, so that the hydrogels or scaffolds would fit in the recesses in the platform. The function of the platform is to simulate the effect of the surrounding tissue on the scaffold after implantation and could reduce animal experimentation by simulating in vivo conditions. / [ES] El cartílago articular es un tejido con baja capacidad de auto-reparación debida a su avascularidad y baja población celular. Se encuentra en la superficie del hueso subcondral cubriendo las articulaciones. La degeneración del cartílago articular puede aparecer en atletas, en personas con procesos genéticos degenerativos o debido a un trauma; lo que produce dolor, dificultades en la movilidad y degeneración progresiva que lleva al fallo de la articulación. La auto-reparación sólo se produce cuando el defecto alcanza el hueso subcondral y las células madre (MSCs) de la médula ósea invaden el defecto. Sin embargo, este nuevo tejido es un cartílago de tipo fibrocartilaginoso y no un cartílago hialino, el cual finalmente lleva a la degeneración. El trasplante de condrocitos autólogos ha sido propuesto para regenerar el cartílago articular pero esta terapia falla principalmente por la ausencia de un material soporte (scaffold) que estimule adecuadamente a las células. El implante de condrocitos autólogos mediante un hidrogel de colágeno no tiene las propiedades mecánicas apropiadas, no proporciona las señales biológicas a las células y el tejido regenerado no es cartílago articular sino fibrocartílago. Se han realizado diferentes enfoques para obtener un scaffold que mimetice mejor las propiedades y la composición del cartílago articular. Los hidrogeles son una buena opción ya que retienen elevadas cantidades de agua, de forma similar al tejido natural, y pueden imitar de cerca la composición del tejido natural mediante la combinación de derivados de hidrogeles naturales. Su tridimensionalidad juega un papel crítico para mantener la función de los condrocitos, ya que el cultivo en monocapa de los condrocitos hace que desdiferencien hacia un fenotipo similar al fibroblasto secretando fibrocartílago. Los hidrogeles inyectables han acaparado la atención en la ingeniería tisular de cartílago articular debido a su capacidad para encapsular células, su inyectabilidad en el daño con cirugías mínimamente invasivas y su adaptabilidad a la forma del defecto. Siguiendo este nuevo enfoque hemos sintetizado dos nuevas familias de hidrogeles inyectables basados en la proteína natural gelatina para la ingeniería tisular del cartílago articular. La primera serie de materiales combina una gelatina inyectable con microfibras poliméricas sueltas de refuerzo para obtener composites inyectables con propiedades mecánicas mejoradas. Nuestros resultados demuestran que hay una influencia de la forma y la distribución de las fibras en las propiedades mecánicas del composite. Además, la mala interacción entre las fibras y la matriz no es capaz de reforzar el hidrogel. Debido a esto, nuestros composites han sido optimizados mediante la mejora de la interacción fibra-matriz a través de un injerto hidrófilo sobre las microfibras, con resultados muy exitosos. La segunda serie de materiales se ha inspirado en la matriz extracelular del cartílago articular y ha consistido en mezclas inyectables de gelatina y ácido hialurónico. Las moléculas de gelatina proporcionan los dominios de adhesión mediante integrinas a las células, y el ácido hialurónico aumenta las propiedades mecánicas de la gelatina. Esta combinación ha demostrado la habilidad para la diferenciación de MSCs hacia el linaje condrocítico y convierte a estos materiales en buenos candidatos para la regeneración del cartílago articular. La última parte de esta tesis se dedica a la síntesis de un material no biodegradable con propiedades mecánicas, hinchado y permeabilidad similar al cartílago. Este material pretende ser empleado como plataforma en un biorreactor en el que se simulan las cargas típicas de las articulaciones, de forma que los scaffolds encajarían en los huecos de la plataforma. Su función es simular el efecto del tejido circundante en el scaffold después de su implantación y podría reducir la experimentación anim / [CA] El cartílag articular es un teixit amb baixa capacitat d'auto-reparació deguda a la seua avascularitat i baixa població cel·lular. Es troba en la superfície de l'ós subcondral cobrint les articulacions. La degeneració del cartílag articular pot aparèixer en atletes, en persones amb processos genètics degeneratius o degut a un trauma; produeix dolor, dificultats a la mobilitat i degeneració progressiva que finalment porta a la fallida de l'articulació. L'auto-reparació es produeix quan el defecte arriba fins a l'ós subcondral i les cèl·lules mare (MSCs) de la medul·la òssia envaeixen el defecte. No obstant això, aquest nou teixit format es un cartílag de tipus fibrocartilaginós i no un cartílag hialí, el qual finalment porta a la degeneració. El transplantament de condròcits autòlegs ha sigut proposat per a regenerar el cartílag articular però aquesta teràpia falla principalment per la absència d'un material de suport (scaffold) que estimuli adequadament a les cèl·lules. L'implant de condròcits autòlegs en un hidrogel de col·lagen per als condròcits no té les propietats mecàniques apropiades, no proporciona les senyals biològiques a les cèl·lules i el teixit regenerat no és cartílag articular sinó fibrocartílag. Diferents enfocs han sigut realitzats fins ara per a obtenir un scaffold que mimetitzi millor les propietats i la composició del cartílag articular. Els hidrogels son una bona opció ja que retenen elevades quantitats d'aigua, de forma similar al teixit natural, i poden imitar acuradament la composició del teixit natural mitjançant la combinació d'hidrogels naturals. La seua tridimensionalitat juga un paper crític per a mantenir la funció dels condròcits, ja que el cultiu en monocapa dels condròcits fa que aquests desdiferencien cap a un fenotip similar al fibroblàstic secretant fibrocartílag. Recentment, els hidrogels injectables han acaparat l'atenció en l' enginyeria tissular de cartílag articular degut a la seua capacitat per a encapsular cèl·lules, la seua injectabilitat en el dany amb cirurgies mínimament invasives i la seua adaptabilitat a la forma del defecte. Seguint aquesta nova aproximació hem sintetitzat dues noves famílies d'hidrogels injectables basats en la proteïna natural gelatina per a l'enginyeria tissular del cartílag articular. La primera sèrie de materials combina una gelatina injectable amb microfibres polimèriques soltes de reforç per a obtenir compòsits injectables amb propietats mecàniques millorades. Els nostres resultats demostren que hi ha una influència de la forma i la distribució de les fibres en les propietats mecàniques del compòsit. Més importantment, la mala interacció entre les fibres i la matriu no és capaç de reforçar l'hidrogel. Degut a això, els nostres compòsits han segut optimitzats mitjançant la millora de la interacció fibra-matriu a traves d'un empelt hidròfil sobre les fibres, amb resultats molt exitosos. La segona sèrie de materials està inspirada en la matriu extracel·lular del cartílag articular i ha consistit en mescles injectables de gelatina i àcid hialurònic. Les molècules de gelatina proporcionen els dominis d'adhesió mitjançant integrines a les cèl·lules, i l'àcid hialurònic augmenta les propietats mecàniques de la gelatina. Esta combinació ha demostrat l'habilitat per a la diferenciació de MSCs cap al llinatge condrocític i converteix a aquests materials en bons candidats per a la regeneració del cartílag articular. L'última part d'aquesta tesi és dedicada a la síntesi d'un material no biodegradable amb propietats mecàniques, inflat i permeabilitat similar al cartílag. Aquest material pretén ser utilitzat com a plataforma a un bioreactor que simula les cargues típiques de les articulacions, de manera que els hidrogels o scaffolds encaixarien als buits de la plataforma. La seua funció es simular l'efecte del teixit circumdant al scaffold després d / Poveda Reyes, S. (2016). Protein-based injectable hydrogels towards the regeneration of articular cartilage [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61392 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

Tesis por compendio / [ES] Actualmente las lesiones del sistema nervioso periférico que conllevan una pérdida de continuidad de los haces axonales suelen implicar secuelas de tipo permanente. Es cierto que en el sistema nervioso periférico existe una cierta regeneración natural de los tractos axonales dañados, pero solamente cuando el espacio entre ambos extremos de la lesión es pequeño, como máximo de 5 mm. Si el espacio es mayor que esta distancia la regeneración no sucede de forma natural y se crea un neuroma traumático. Por tanto, estas lesiones largas requieren de una intervención quirúrgica para puentear la lesión, normalmente con un nervio autógrafo del propio paciente o un nervio alógrafo de un cadáver. No obstante, su uso presenta diversos inconvenientes, como la morbilidad del sitio donante donde puede ocurrir un neuroma, la necesidad de realizar una segunda cirugía, la diferencia de tamaño entre nervio receptor y donante o la necesidad de inmunosupresión en el caso de los nervios alógrafos. Por ello, la ingeniería de tejidos trabaja en el desarrollo de los conductos de guiado nervioso que incorporan estrategias para guiar topográficamente la regeneración, así como células y moléculas bioactivas. La presente tesis doctoral presenta un nuevo conducto de guiado nervioso con una aproximación multimodular para su aplicación en la regeneración de lesiones nerviosas largas (a partir de 15 mm) que hace uso de conductos tubulares huecos modulares de ácido hialurónico (HA) que contienen en su interior una estructura tubular de microfibras de ácido poliláctico (PLA). La estructura fibrilar aporta un guiado topográfico necesario para guiar el crecimiento axonal durante la regeneración a la vez que mantiene unidos los diferentes módulos de HA. Por su parte, los conductos de HA son un hidrogel que evita adherencias con el tejido circundante. A su vez, proporcionan un soporte sobre el que pueden crecer células presembradas. En concreto se ha optado por presembrar células de Schwann, las cuales son unas células gliales de soporte críticas para la regeneración del sistema nervioso periférico. Se ha observado que dichas células son capaces recubrir por completo las paredes internas de los conductos de HA formando una estructura tipo vaina, así como de recubrir las microfibras de PLA creciendo en dirección longitudinal. Los experimentos in vivo en modelo de nervio ciático de conejo han mostrado que la aproximación multimodular mejora significativamente la regeneración nerviosa gracias a proporcionar una mejor neovascularización. A su vez, gracias a las células de Schwann presembradas se ha logrado una mejora adicional de la regeneración nerviosa gracias a su efecto favorecedor del crecimiento axonal. Además, se han estudiado diferentes mejoras aplicables al conducto de guiado nervioso con el objetivo de mejorar los resultados obtenidos in vivo. Gracias a la incorporación de fibroína de seda a los conductos de HA se ha logrado mejorar sus propiedades mecánicas y biológicas. Asimismo, también se ha desarrollado un sustrato electroconductor de microfibras de PLA recubiertas con el polímero electroconductor Polipirrol gracias al cual se ha observado in vitro que es capaz de mejorar el crecimiento axonal al aplicar una estimulación eléctrica. Además, mediante un sistema de modificación génica de las células de Schwann por electrotransfección se ha logrado aumentar su secreción del factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), gracias a lo cual se ha observado que se incrementa la velocidad de crecimiento axonal in vitro. / [CA] Actualment les lesions del sistema nerviós perifèric que comporten una pèrdua de continuïtat dels feixos axonals solen implicar seqüeles de tipus permanent. És cert que al sistema nerviós perifèric hi ha una certa regeneració natural dels tractes axonals danyats, però només quan l'espai entre ambdós extrems de la lesió és petit, com a màxim de 5 mm. Si l'espai és més gran que aquesta distància la regeneració no succeeix de manera natural i es crea un neuroma traumàtic. Per tant, aquestes lesions llargues requereixen una intervenció quirúrgica per pontejar la lesió, normalment amb un nervi autògraf del pacient o un nervi al·lògraf d'un cadàver. No obstant això, el seu ús presenta diversos inconvenients, com la morbilitat del lloc donant on pot ocórrer un neuroma, la necessitat de fer una segona cirurgia, la diferència de mida entre nervi receptor i donant o la necessitat d'immunosupressió en el cas dels nervis al·lògrafs . Per això, l'enginyeria de teixits treballa en el desenvolupament dels conductes de guiatge nerviós que incorporen estratègies per guiar topogràficament la regeneració, així com cèl·lules i molècules bioactives. Aquesta tesi doctoral presenta un nou conducte de guiatge nerviós amb una aproximació multimodular per a la seva aplicació en la regeneració de lesions nervioses llargues (a partir de 15 mm) que fa ús de conductes tubulars buits modulars d'àcid hialurònic (HA) que contenen al seu interior una estructura tubular de microfibres d'àcid polilàctic (PLA). L'estructura fibril·lar aporta un guiatge topogràfic necessari per guiar el creixement axonal durant la regeneració alhora que manté units els diferents mòduls d'HA. Per part seva, els conductes d'HA són un hidrogel que evita adherències amb el teixit circumdant. Alhora, proporcionen un suport sobre el qual poden créixer cèl·lules presembrades. En concret s'ha optat per presembrar cèl·lules de Schwann, les quals són unes cèl·lules glials de suport crítiques per a la regeneració del sistema nerviós perifèric. S'ha observat que aquestes cèl·lules són capaces de recobrir completament les parets internes dels conductes d'HA formant una estructura tipus beina, així com de recobrir les microfibres de PLA creixent en direcció longitudinal. Els experiments in vivo en model de nervi ciàtic de conill han mostrat que l'aproximació multimodular millora significativament la regeneració nerviosa gràcies a proporcionar una millor neovascularització. Alhora, gràcies a les cèl·lules de Schwann presembrades s'ha aconseguit una millora addicional de la regeneració nerviosa gràcies al seu efecte afavoridor del creixement axonal. A més, s'han estudiat diferents millores aplicables al conducte de guiatge nerviós per tal de millorar els resultats obtinguts in vivo. Gràcies a la incorporació de fibroïna de seda als conductes d'HA s'ha aconseguit millorar les seues propietats mecàniques i biològiques. També s'ha desenvolupat un substrat electroconductor de microfibres de PLA recobertes amb el polímer electroconductor Polipirrol gràcies al qual s'ha observat in vitro que és capaç de millorar el creixement axonal quan s'aplica una estimulació elèctrica. A més, mitjançant un sistema de modificació gènica de les cèl·lules de Schwann per electrotransfecció s'ha aconseguit augmentar la secreció del factor neurotròfic derivat del cervell (BDNF), gràcies a la qual cosa s'ha observat que s'incrementa la velocitat de creixement axonal in vitro. / [EN] Currently, lesions of the peripheral nervous system that lead to a loss of continuity of the axonal bundles usually involve permanent sequelae. It is true that in the peripheral nervous system there is some natural regeneration of damaged axonal tracts, but only when the space between the two ends of the lesion is small, at most 5 mm. If the gap is greater than this distance, regeneration does not occur naturally, and a traumatic neuroma is created. Therefore, these long injuries require surgical intervention to bridge the injury, usually with an autograph nerve from the patient or an allograph nerve from a cadaver. However, its use has various drawbacks, such as the morbidity of the donor site where a neuroma can occur, the need to perform a second surgery, the difference in size between the recipient and donor nerves, or the need for immunosuppression in the case of allograft nerves. For this reason, tissue engineering works on the development of nerve guidance conduits that incorporate strategies to topographically guide the regeneration, as well as cells and bioactive molecules. This doctoral thesis presents a new nerve guidance conduit with a multimodular approach for its application in the regeneration of long nerve lesions (from 15 mm) that makes use of modular hollow tubular conduits of hyaluronic acid (HA) that contain in their inside a tubular structure of microfibers of polylactic acid (PLA). The fibrillar structure provides the necessary topographic guidance to guide axonal growth during regeneration while keeping the different HA modules together. For their part, the HA conduits are a hydrogel that prevents adhesions with the surrounding tissue. In turn, they provide a support on which preseeded cells can grow. Specifically, it has been decided to pre-seed Schwann cells, which are glial support cells that are critical for the regeneration of the peripheral nervous system. It has been observed that these cells are capable of completely covering the inner walls of the HA conduits, forming a sheath-like structure, as well as covering the PLA microfibers by growing in a longitudinal direction. In vivo experiments in a rabbit sciatic nerve model have shown that the multimodular approach significantly improves nerve regeneration by providing better neovascularization. In turn, thanks to the pre-seeded Schwann cells, an additional improvement in nerve regeneration has been achieved thanks to its promoting effect on axonal growth. In addition, different improvements applicable to the nerve guidance conduit have been studied with the aim of improving the results obtained in vivo. Thanks to the incorporation of silk fibroin into HA conduits, their mechanical and biological properties have been improved. Likewise, an electroconductive substrate of PLA microfibers coated with the electroconductive polymer Polypyrrole has also been developed, thanks to which it has been observed in vitro that it is capable of improving axonal growth by applying electrical stimulation. In addition, by means of a gene modification system of Schwann cells by electrotransfection, it has been possible to increase their secretion of brain-derived neurotrophic factor (BDNF), thanks to which it has been observed that the speed of axonal growth is increased in vitro. / Agradezco la ayuda de los diferentes proyectos del Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España que han hecho posible la financiación de esta tesis doctoral: MAT2015-66666-C3-1-R, DPI2015-72863-EXP, AEI RTI2018-095872-B-C21-C22/ERDF y FPU16/01833 del Ministerio de Universidades del Gobierno de España, sin la cual no hubiera podido realizar esta tesis doctoral. / Gisbert Roca, F. (2022). Strategies for Guidance and Electrical and Biological Stimulation in a Neural Regeneration Device [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/189937 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] El cartílago hialino es un tejido conectivo denso con poca capacidad de auto regeneración cuando es afectado por patologías degenerativas. Por lo tanto, la estimulación eléctrica se ha propuesto como una terapia alternativa no invasiva para mejorar la reparación del cartílago hialino. De acuerdo con esto, este trabajo presenta un enfoque computacional y experimental combinado para entender mejor la biología del cartílago hialino y su respuesta a la estimulación eléctrica usando diferentes modelos in vitro. En primer lugar, se ha desarrollado un modelo mecanobiológico para simular el proceso de osificación endocondral. Por otro lado, se ha evaluado el efecto de la estimulación eléctrica sobre el cartílago hialino en tres escenarios diferentes. Inicialmente se ha analizado la proliferación celular y la síntesis de glicosaminoglicanos de condrocitos cultivados en monocapa y estimulados con campos eléctricos. Luego, se ha realizado un análisis histomorfométrico a explantes de condroepífisis que fueron estimulados eléctricamente. Por último, se ha evaluado el efecto de los campos eléctricos sobre la diferenciación condrogénica de células madre mesenquimales cultivadas en hidrogeles. Los resultados indican que la estimulación eléctrica es un estímulo biofísico prometedor, ya que este tipo de estimulación mejora la viabilidad y la proliferación celular, induce cambios morfológicos en los condrocitos, y estimula la síntesis de las principales moléculas que componen el cartílago hialino, tales como SOX-9, glicosaminoglicanos y agrecan. Además, este proyecto es el primer paso hacia la implementación de un estímulo biofísico alternativo que modifica la dinámica celular de los condrocitos de la placa de crecimiento en condiciones ex vivo. Adicionalmente, este estudio resalta el efecto potencial de los campos eléctricos para inducir el proceso de condrogénesis de células madre mesenquimales cultivadas en condiciones basales. En general, la evaluación de la estimulación eléctrica sobre condrocitos, tejidos y andamios es una herramienta útil que puede contribuir al conocimiento actual de las terapias regenerativas enfocadas en la regeneración del cartílago hialino. / [CA] El cartílag hialí és un teixit connectiu dens amb poca capacitat d'auto regeneració quan es veu afectat per patologies degeneratives. Per tant, l'estimulació elèctrica s'ha proposat com una teràpia alternativa no invasiva per millorar la reparació del cartílag articular. D'acord amb això, aquest treball presenta un enfoc computacional i experimental combinat per entendre millor la biologia del cartílag hialí i la seva resposta a l'estimulació elèctrica usant diferents models in vitro. En primer lloc, s'ha desenvolupat un model mecanobiològic per simular el procés d'ossificació endocondral. D'altra banda, s'ha avaluat l'efecte de l'estimulació elèctrica sobre el cartílag hialí en tres escenaris diferents. Inicialment s'ha analitzat la proliferació cel·lular i la síntesi de glicosaminoglicans de condròcits cultivats en monocapa i estimulats amb camps elèctrics. Després, s'ha realitzat una anàlisi histomorfomètrica a explants de condroepífisis que van ser estimulats elèctricament. Finalment, s'ha avaluat l'efecte dels camps elèctrics sobre la diferenciació condrogénica de cèl·lules mare mesenquimals cultivades en hidrogels. Els resultats indiquen que l'estimulació elèctrica és un estímul biofîsic prometedor, ja que aquest tipus d'estimulació millora la viabilitat i la proliferació cel·lular, indueix canvis morfològics en els condròcits, i estimula la síntesi de les principals molècules que componen el cartílag hialí, com ara SOX-9, glicosaminoglicans i agrecan. A més, aquest projecte és el primer pas cap a la implementació d'un estímul biofísic alternatiu que modifica la dinàmica cel·lular dels condròcits de la placa de creixement en condicions ex vivo. Addicionalment, aquest estudi ressalta l'efecte potencial dels camps elèctrics per induir el procés de condrogènesi de cèl·lules mare mesenquimals cultivades en condicions basals. En general, l'avaluació de l'estimulació elèctrica sobre condròcits, teixits i scaffolds és una eina útil que pot contribuir al coneixement actual de les teràpies regeneratives enfocades a la regeneració del cartílag hialí. / [EN] Hyaline cartilage is a dense connective tissue with low self-healing capacity when is affected by degenerative pathologies. Therefore, electrical stimulation has been proposed as a possible non-invasive alternative therapy to enhance the restoration of the cartilaginous tissue. Accordingly, this work presents a combined computational and experimental approach to understand better the hyaline cartilage biology and its response to electrical stimulation using different in vitro models. On the one hand, a mechanobiological model was developed to simulate the endochondral ossification process. On the other hand, the electrical stimulation on hyaline cartilage was evaluated in three different scenarios. Initially, cell proliferation and glycosaminoglycans synthesis of chondrocytes, cultured in monolayer and stimulated with electric fields, was analyzed. Then, a histomorphometric analysis was performed to chondroepiphysis explants that were electrically stimulated. Finally, the effects of the electric fields on chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells cultured in hydrogels was assessed. The results indicated that electrical stimulation is a promising biophysical stimulus, due to the fact that this type of stimulation enhances the viability and the proliferation of cells, induces morphological changes in the chondrocytes, and stimulates the synthesis of the main molecules that compose the hyaline cartilage, such as SOX-9, glycosaminoglycans and aggrecan. Moreover, this project is the first step towards the implementation of an alternative biophysical stimulus that modifies the cellular dynamics of growth plate chondrocytes in ex vivo conditions. Additionally, this study highlights the potential effect of electric fields to induce the chondrogenesis process of mesenchymal stem cells cultured in basal conditions. Overall, the assessment of electrical stimulation on chondrocytes, tissues and scaffolds is a useful tool that may contribute to the current knowledge of regenerative therapies focused on hyaline cartilage healing. / To the financial support from COLCIENCIAS – COLFUTURO through the fellowship No. 647 for national doctorates. To the financial support from COLCIENCIAS through the research grant 712-2015 No. 50457. To the financial support from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness through the MAT2016-76039-C4-1-R project. / Vaca González, JJ. (2019). The effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitro and in silico study [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/120023 / Compendio

<p dir="ltr">Biopharmaceuticals, such as insulin, monoclonal antibodies, growth hormones, and vaccines, have emerged as a major class of therapeutic molecules. Subcutaneous administration of biotherapeutics is a convenient drug delivery method that is less invasive, requires shorter clinic times, improves patient compliance, and reduces cost to the healthcare system compared to intravenous administration. The mass transport of a therapeutic injected into the subcutaneous tissue is dictated by physiochemical properties of the molecule such as size and electrostatic charge. The bioavailability and efficacy of the therapeutic formulation depend on efficient transport of the molecule from the injection site to lymphatic or blood vessels. The injected biotherapeutic needs to traverse complex structures of the subcutis and the extracellular matrix (ECM) before it arrives at the uptake site. In vitro transport screening platforms provide insights into the effects of tissue and therapeutic properties on macromolecular transport through biological barriers.</p><p dir="ltr">In this work, we develop an in vitro Transwell macromolecular recovery platform, an economical and high-throughput method that can be used to systematically evaluate effects of ECM components on mass transport properties of macromolecules. In Chapters 2-3, we engineer subcutaneous tissue models based on collagen type I ((Col I), the most abundant fibrillar protein in the subcutaneous ECM) and hyaluronic acid ((HA), an anionic and highly viscous polysaccharide). In Chapter 2, we optimize protocols to reproducibly fabricate Col I and combined Col I and HA (ColHA) hydrogels. In Chapter 3, we establish a workflow to characterize collagen material from different sources (animal sources, different vendors, and between batches of identical material) since inherent variabilities can occur.</p><p dir="ltr">Next, we develop and optimize a high throughput Transwell platform, and we screen the transport of macromolecules, which are representative of current therapeutics used in subcutaneous injections. We demonstrate that macromolecular transport within Col type I (Col I), blended collagen I and II (Col I/II), blended Col I and III (Col I/III), and combined Col I and HA hydrogels (ColHA) hydrogels is inversely related to the hydrodynamic radius of the diffusing macromolecules. Blending col I/II and I/III gels results in altered fibril morphologies (smaller fibrils), which decrease mass recovery rates. Increasing HA concentration within the Col I hydrogels decreases macromolecular recovery. This decrease is mainly a consequence of increased viscosity within the matrix. Recovery rates of large molecules such as immunoglobulin G (IgG), a molecule similar in size to therapeutic antibodies, were highly sensitive to HA concentration in col hydrogels. Smaller molecules, such as myoglobin and lysozyme, that are similar in size to insulin experience electrostatic effects as HA concentration increases within col gels. Recovery of macromolecules in an HA solution was a function of both electrostatic and steric interactions. The results from these studies were highly reproducible and highlighted the robustness of the optimized assay.</p><p dir="ltr">Our results thus demonstrate that the Transwell platform can be utilized for systematic evaluation of therapeutic transport as a function of molecular characteristics. The results presented can inform desirable physiochemical properties for efficient biotherapeutic transport within the subcutaneous tissue. </p><p dir="ltr">In the last main portion of the thesis, we work with elastin, another biologically derived material. In this portion, we developed an optimized method for expression and purification of elastin-like polypeptide proteins. We then present a method to chemically alter the material to introduce underwater adhesive properties to the material.</p>

Konsistensen på en gel bestående av tvärbunden hyaluronsyra beror av tre faktorer: total koncentration hyaluronsyra, gelningsgrad och tvärbindningsdensitet. För att utföra detta projekt erhölls tre olika geler med olika tvärbindningsdensitet. Dessa geler späddes dels med lösning av fri, icke tvärbunden, HA från 100 % gelningsgrad till 90 % och 80 %. De olika gelningsgraderna späddes också med natriumkloridlösning från den totala koncentrationen HA, 35 mg HA/g gel, till 25 mg/g och 15 mg/g. Projekts huvudfråga är att kartlägga gelens reologiska egenkaper då både total koncentration HA och gelningsgrad varieras. För att kunna kartlägga detta har en reometer brukats där följande tre tester körts: tidssvep, frekvenssvep och amplitudsvep. Från erhållen data har sedan två parametrar som representerar gelkompositionernas viskösa egenskaper (G'') och elastiska egenskaper (G') observerats. Även mätning av extruderingskraft har genomförts för att dra vidare paralleller och slutsatser mellan extruderingskraften och de reoligiska egenskaperna. Ur resultaten ses att förlusttangenten tenderar att sjunka när gelningsgraden ökar, d.v.s. gelerna blir då mer viskösa och mindre elastiska. Förlusttangenten sjunker även vid ökande total koncentration HA vilket betyder att G’ ökar mer än G’’ i vardera punkt som gör att förlusttangenten minskar.Det gick även att avläsa att de viskösa egenskaperna i gelen ökar då total koncentration hyaluronsyra minskar samt att de viskösa egenskaperna i gelerna minskar vid en sjunkande gelningsgrad. Mellan gelningsgrad 90-100 % och total koncentration HA 25-35 mg HA/g har analyserna som gjorts i detta projekt gett följande slutsatser. Konsistensen på gel A och C är mer påverkade av gelningsgraden än total koncentration HA. För gel B kan ingen dominerande parameter utläsas. / The softness of a gel made of crosslinked HA (HA = hyaluronic acid) depends onthree factors. One is the amount of free hyaluronic acid in the gel. Another is thedensity of the crosslinked network, which is the molecular entanglements in the gel.The third is the total concentration of HA. In this project a rheometer is used to measure the rheological properties by runningthe following tests: time sweep, frequency sweep and amplitude sweep. From theobtained data, parameters related to viscous properties (G’’) and elastic properties(G’) of the gels were observed. 27 different compositions of gels with three differentconcentrations (35 mg HA/g, 25 mg HA/g, 15 mg HA/g), three different gel contents(100%, 90%, 80%) and three different densities of crosslinked network (A, B, C) wereanalyzed. To draw further conclusions an analysis of extrusion force was performedas well. The results from the frequency sweeps show that the loss tangent for a gel increasedas the total concentration of HA was reduced and that the loss tangent for a gelincreased as the gel content was decreased. This indicates that the gels become moreviscous when either the concentration of HA or the gel content was decreased. Anincrease in concentration of HA results in an increase of G' and an increase of gelcontent also results in an increase of G'. The results from the amplitude sweeps showthat xG' (xG' = storage modulus at the crossover point between G' and G'') increasesas either the concentration of HA or the gel content is increased. For xStrain (xStrain= deformation of the gel at the crossover point) and xStress (xStress = the stressapplied to the gel at the crossover point) no clear trend can be seen regarding the gelcontent. But an increase in concentration of HA results in an increase of both xStrainand xStress. The results from the analysis of extrusion force show that an increase intotal concentration HA increases the force.

L'anévrisme de l'aorte abdominale (AAA) est une maladie dégénérative de la paroi vasculaire, actuellement traitée par chirurgie ou par endoprothèse. La diminution de la morbimortalité liée aux traitements et la réparation de ces vaisseaux pathologiques constituent un enjeu majeur de santé publique. L'objectif de ce travail de thèse est d'évaluer l'impact de la culture 3D sur les cellules souches mésenchymateuses (CSM), en particulier sur leur phénotype, leur multipotence, leur capacité à réparer les anévrysmes in vivo et à acquérir un phénotype adapté à la contrainte mécanique qu'elles subissent in vitro. Des conditions optimales de culture 3D dans un hydrogel d'acide hyaluronique préservant la multipotence des CSM in vitro ont ainsi été établies. Sous l'effet de contraintes mécaniques reproduisant celles subies par la paroi aortique in vivo, les CSM 2D et CSM 3D semblent garder une multipotence. Toutefois, dans ces conditions dynamiques, la viabilité des CSM 3D augmente contrairement à celle des CSM 2D. Les résultats montrent également que l'injection des CSM 2D ou 3D, en utilisant un modèle de xénogreffe chez le rat, stabilisent les AAA et améliorent la résistance mécanique de la paroi vasculaire anévrismale. L'étude réalisée chez le rat a été complétée par une approche thérapeutique cellulaire à base de CSM 3D dans le cas de faux anévrysmes chroniques de l'isthme chez le porc. Cette étape conduit à la caractérisation des CSM 3D et la mise au point du modèle expérimental chez le porc, ce qui permet d'envisager une thérapie cellulaire dans ce modèle. Plus généralement, ce travail contribue à la compréhension de la biologie des CSM et à l'amélioration des approches utilisées en thérapie cellulaire et en médecine régénérative. / Abdominal aortic aneurysm (AAA) is a degenarative disease of the arterial wall, which is usually treated with a conventional surgery or an andovascular stent. Due to its high morbidity and mortality, the AAA constitutes a major public health concern. The aim of this thesis is to evaluate the imapct of OD culture of mesenchymal stem cells (MSC), in particular on their phenotype, their multipotency, their ability to repair aneurysms in vivo and to acquire a phenotype suitable to the nechanical stress they support in vitro. Optmal culture conditions in a 3D hydrogel of hyaluronic acid preserving the multipotency of MSC in vitro have been established. Under mechanical effects, reproducing those supported by the aortic wall in vivo, 2D and 3D CSM seem to preserve their multipotency. However, under such dynamic conditions, the viability of 3D CSM increases unlike that of 2D CSM. By using a rat xenograft model, the results also show that injection of 2D or 3D CSM, stabilizes the AAA and improves the mechanical strenght of the aneurysmal vessel wall. The study in rat was supplemented by an evaluation of a therapeutic cell-based approach using 3D CSM in the case of chronic false aneurysms of the isthlus in pigs. This step allowed the characterization of 3D CSM and the development of an experimental model in pigs, which allows to consider cell therapy in this model. More genrally, this work contributes to a better understanding of CSM biology and to an improvement of the approaches used in cell therapy and regenerative medicine.

Les nanogels sont de bons candidats pour la délivrance d’actifs. Ces réseaux de polymères réticulés et de taille nanométrique, sont gonflés d’eau. Ils sont donc capables d’encapsuler une protéine à l’intérieur de leurs pores et de la libérer en fonction de l’état de gonflement du réseau. Cet état peut être modulé par la densité de réticulation du réseau ou par l’application d’un stimulus externe tel que le pH, la température ou encore une biomolécule telle que le glucose. Ainsi, les nanogels sensibles au glucose se présentent comme des candidats idéaux pour administrer l’insuline de façon asservie à la glycémie. Afin de satisfaire aux critères de biocompatibilité et de biorésorption des vecteurs, nous avons choisi de développer des nanogels à base de polysaccharide, en particulier à base d’acide hyaluronique (HA). Ceux-ci sont obtenus par réticulation du HA, préalablement modifié par des fonctions réticulables telles que les méthacrylates, dans des nanogouttes d'émulsion eau-dans-huile. Des nanogels de taille et de porosité modulables ont été synthétisés grâce à un bon contrôle 1) de la modification chimique des précurseurs par des fonctions réticulables (taux de méthacrylation), 2) de l’émulsion matricielle (taille, stabilité), 3) des conditions de réticulation par photopolymérisation gouvernant le taux de conversion des méthacrylates. Ce savoir-faire a ensuite été appliqué à la synthèse de nanogels modifiés par des dérivés de l’acide phénylboronique, ligand du glucose, afin d’obtenir des matériaux dont le taux de gonflement varie en fonction de la glycémie. L’intérêt applicatif de ces objets a été évalué vis-à-vis des propriétés d’encapsulation de l’insuline, de dégradabilité enzymatique, et de biocompatibilité. / Nanogels are an attractive class of delivery systems. These soft particles, made of highly swollen polymer network, can physically entrap a drug and release it at a rate depending on its diffusion though the network. Therefore, any change in the swelling degree can trigger the release kinetics. This parameter can be tuned by modifying the density of cross-links in the gel matrix or by changing the environmental conditions such as pH, temperature or analyte such as glucose. Thus, glucose-responsive nanogels are good candidates to be used as self-regulated systems for insulin delivery. To fulfill both biocompatibility and biodegradability criteria, our attention has been focused on the design of new nanogels made of polysaccharides, in particular made of hyaluronic acid (HA), as a main constituent. HA was at first covalently modified with polymerizable methacrylate functions and confined in nanoreactors during photopolymerization using water-in-oil miniemulsions as template. Biodegradable nanogels with a well-defined size and various cross-linking degrees were thus achieved, thanks to a good control of 1) the chemical modification of HA with methacrylates (degree of methacrylation) 2) the emulsion template (size, stability), 3) the photopolymerization conditions which governed the conversion rate of the polymerization. Further modification of the polysaccharide with phenylboronic acid as a glucose-sensitive group yielded nanogels whose swelling behavior could vary as a function of glucose concentration. These systems were further studied as insulin delivery systems. Moreover, their biodegradability, stability and biocompatibility were assessed.