SARCOMAS E MESENQUIMOPATIAS TUMORES AULAS.Catalani

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SARCOMAS E MESENQUIMOPATIAS DOENÇAS PARENQUIMATOSAS.

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SARCOMAS E MESENQUIMOPATIAS TUMORES AULAS.Catalani

  1. 1. A química dos polímeros a serviço da medicina Luiz Henrique Catalani Laboratório de Biomateriais Poliméricos Instituto de Química - USP
  2. 2. Biomateriais é uma idéia antiga…. 1. Esqueletos do período neolítico 32.000 anos, revelam que já se conhecia a técnica de sutura. 2. Ouro foi usado como reparo dental por chineses, astecas e romanos a até 2000 atrás. 3. Evidências de implantes dentários em múmias datam de 600 AC 4. Já em 1775, ferro e latão foram eram usados para reparo de fêmur fraturado. 5. O primeiro olho de vidro foi produzido em 1832 pelo vidreiro Ludwig Müller-Uri em Lauscha, Alemanha. 6. Indígenas da América central e África utilizavam pinças de formigas para costura de ferimentos. 7. George Washington (1732-1799) tinha dentes de marfim.
  3. 3. Retrato de George Washington por Gilbert Stuart
  4. 4. O que são biomateriais “material intended to interface with biological systems to evaluate, treat, augment or replace any tissue, organ or function of the body” ESB Consensus Conference II Virtualmente todo indivíduo terá contato com biomateriais por algum tempo durante sua vida. desempenho funcional vs biocompatibilidade
  5. 5. Biocompatibilidade É a habilidade do material de atuar com uma resposta apropriada do hospedeiro em uma aplicação específica. A interação de contato do biomaterial com o ambiente biológico ocorre na interface do material. A biocompatibilidade será determinada pelas interações que ocorrem nesta interface. Onde a célula faz a ligação (ancoragem) dependerá das propriedades específicas da área. http://www.weizmann.ac.il/Structural_Biology/faculty_pages/Addadi/
  6. 6. O ambiente “in vivo” não é estático Um dispositivo efetivo deve ser fabricado de um material que não desordene o processo metaestável nem a performance do dispositivo. A vida não é uma condição estável. É um processo dinâmico metaestável constantemente trocando energia e material com o mundo externo para produzir trabalho.
  7. 7. Ciência dos biomateriais Ação Identificação da necessidade Desenho do dispositivo Síntese do material Fabricação Esterilização e embalagem Regulamentação Uso clínico Análise do explante Facilitador Teste do material Teste do dispositivo Desenhista industrial Bioengenheiro Advogado especialista Patologista Inventor Químico (polímeros, metal, cerâmica, etc) Mecânico Engenheiro Médico/dentista/oftalmologista Idéia Paciente
  8. 8. Aplicações Sistema esquelético Sistema cardiovascular Sistema sensorial Dentística e periodontia Tecidos macios Biomateriais
  9. 9. Esquelético Próteses de juntas (joelho, quadril, etc) Ti, liga Ti-Al-V, aço inox, polietileno Fixação de fraturas Liga Co-Cr, aço inox Cimento ósseo PMMA Ligamentos e tendões Teflon e dracon Discos intervertebrais Ti, aço inox, teflon Biomateriais
  10. 10. Lente intraocular Hidrogel, PMMA, borracha de silicone Sensorial Prótese do ouvido médio PMMA, aço inox Bioglass, Proplast Duto lacrimal PMMA Prótese ocular Teflon expandido, PGMA Biomateriais
  11. 11. Tecidos Suporte para pele artificial Colágeno, hidrogel poli(ácido lático) Prótese mamária Gel e borracha de silicone Curativos PU, hidrogéis de PEG, PVP, CMCf Biomateriais
  12. 12. Cardiovascular Prótese vascular Dacron, teflon, poliuretano Válvula cardíaca Teflon expandido, dracon, aço inox Catéter Borracha de silicone, teflon, poliuretano Coração artificial Poliuretano, aço inox Stents Aço inox, NiTiNOL coberto de teflon Biomateriais
  13. 13. Dentística e periodontia Implante endósteo Ti, alumina fosfato de cálcio Restaurações dentárias compósitos a base de bis-acrilatos reticulados Implante subperiósteo Liga Co-Cr-Mo (CAD/CAM) Biomateriais
  14. 14. Desafios atuais Biomateriais Bioespecificidade Cura e reação do corpo-estranho Medicina regenerativa Liberação controlada Adsorção de proteínas Materiais furtivos Engenharia de tecidos
  15. 15. Classes de materiais Biomateriais Cerâmicas Metais Compósitos Polímeros naturais Polímeros sintéticos
  16. 16. Classes de materiais Biomateriais Polímeros naturais Metais Compósitos Cerâmicas •Alumina •Zircônia •Fosfato de cálcio •Bioglass •Formas de carbono Polímeros sintéticos
  17. 17. Classes de materiais Biomateriais Polímeros naturais Polímeros sintéticos Cerâmicas Metais Compósitos •Fibras de: carbono, vidro, Kevlar adicionado a: PC, PE, PP, PS, PTFE, PMMA... •Hidroxiapatita, TCP...
  18. 18. Classes de materiais Biomateriais Polímeros naturais Polímeros sintéticos Cerâmicas Compósitos Metais •Aços inoxidáveis •Titânio e ligas •Ligas de cobalto •Ligas com memória de forma - NiTiNOL
  19. 19. Classes de materiais Biomateriais Polímeros sintéticos Cerâmicas Metais Compósitos Polímeros naturais •Componentes da ECM colágeno, glicosaminoglicanos, etc •Carboidratos celulose modificada agarose, quitosana, etc
  20. 20. Classes de materiais Biomateriais Polímeros naturais Polímeros sintéticos: Cerâmicas Metais Compósitos •Hidrofílicos: PHEMA, PEO, PVP PVA (hidrogéis) •Hidrofóbicos: PE, PP, PVC, PTFE PET, PLA (poliésteres)
  21. 21. Classes de materiais Biomateriais Cerâmicas Metais Compósitos Polímeros naturais Polímeros sintéticos
  22. 22. poliésteres hidrogéis Lab de Biomateriais Poliméricos
  23. 23. PET, PBT PLLA, PGLA PHB PIAd PVP quitosana colágeno Lab de Biomateriais Poliméricos
  24. 24. suporte para cultura curativos (smart dressings) emboloterapia estereotaxia liberação de fármacos células mesenquimais, do endotélio, do estroma testes celulares leucócitos Lab de Biomateriais Poliméricos PET, PBT PLLA, PGLA PHB PIAd PVP quitosana colágeno
  25. 25. Lab de Biomateriais Poliméricos eletrofiação blendas (co) polimerização polimerização enzimática microesferasmembranas nanoesferass nanofibers transesterificação compósitos Ago NPsHAp, TCP heparina ácido hialurônico AuoNPs crosslinking estruturas lipofílicas PET, PBT PLLA, PGLA PHB PIAd PVP quitosana colágeno
  26. 26. Hidrogéis : o que são e para que servem Sol  Gel
  27. 27. Hidrogéis : o que são e para que servem • liberação controlada de fármacos (dispositivos) • curativos tópicos • lentes de contato • bioadesivos • encapsulação celular (transplante) • suporte para crescimento celular (engenharia de tecidos) • biossensores, etc.
  28. 28. Curativos  Leveza, qualidade não abrasiva  Permeabilidade ao oxigênio e vapores de água  Atuam como dispositivo de medicação tópica  Transparência, permite visualizar o processo de cura  Impermeável a bactérias  Capacidade de absorção do exsudato, permite manter o ferimento limpo por mais tempo  Flexível, não inibe a fisioterapia  Adesão à pele sã e não adesão ao ferimento, permite a troca de curativo com menos dor P PPH OH H2O H2O , e- , e- P P
  29. 29. Foto-reticulação sem iniciador UV 254 nm N O RH   N O N OH + R N O Lopérgolo, Lugão, Catalani, Polymer, 44, (2003) 6217
  30. 30. Foto-reticulação com iniciador UV 254 nm + H2O2 0.0 0.2 0.4 0.6 0 25 50 75 100 80 g/L 90 g/L 100 g/L %deGel Dose (kJ) P PPH OH H2O H2O2 h P P h Fechine, Barros, Catalani, Polymer, 45, (2004) 4705
  31. 31. Fenton [H2O2] /Fe2+ % gel Fator de intumesc . 200 75 2100 140 62 2300 100 72 2600 80 64 2900 PI 0402081-2 Fe2+ Fe3+ H2O2 OH + - OH Fenton térmica 0 3 6 9 12 1 2 3 4 viscosidade(cP) tempo (min) Fechine, Barros, Catalani, Polymer, 45, (2004) 4705
  32. 32. orgânico (H2O) surfactante micela reversa Nanogéis de PVP H2O 20-200 nm
  33. 33. orgânico (H2O+PVP) Nanogéis de PVP PVP Fenton (Fe2+,H2O2) PVP-rPVP-r - nanogel
  34. 34. Amostra  (nm)* Q0 Nanogel Colapsado 27 - Nanogel PVP-Fe(3+) 283 900 Nanogel PVP-sem Fe(3+) 364 2000 Q0 = ws -wd wd » Vs ´dw Vd ´dPVP 10 100 1000 0 2 4 6 8 10 12  = 27 nm Frequencia(%) Diâmetro (nm) 10 100 1000 0 2 4 6 8 10 12  = 364 nm Frequencia(%) Diâmetro (nm) 10 100 1000 0 2 4 6 8 10 12  = 283 nm Freqüência(%) Diâmetro (nm) Nanogéis de PVP Bueno, Cuccovia, Chaimovich, Catalani, Coll. Polym.Sci., 287, (2009) 705
  35. 35. 15 30 45 0 3 6 9 Frequência(%) Diâmetro (nm) Nanogéis de PVP Bueno, Cuccovia, Chaimovich, Catalani, Coll. Polym.Sci., 287, (2009) 705
  36. 36. Eletrofiação  O processo de eletrofiação foi patenteado em 1934 por A. Formhals  O processo produz fibras com diâmetros entre 5 microns até dezenas de nanômetros  Mesma escala de tamanho de células e estruturas de ocorrência em matriz extracelular.  Possível substratos para crescimento celular e em aplicações como curativos, liberação de fármacos e regeneração de tecidos.  Alta área específica é ideal para técnicas de filtração, absorção e separação A. Small Intestinal Submucosa - Natural ECM B. Electrospun Type I, II Collagen and Elastin
  37. 37. Eletrofiação  Base coletora (alvo) serve como aterramento  Campo elétrico aplicada fica entre 0,5 e 3 kV/cm Bomba Solução de polímero Capilar Cone de Taylor Alvo aterrado Filamento Fonte de alta tensão
  38. 38. Eletrofiação  O campo elétrico gera uma tensão na solução carregada na saída do capilar.  O jato se afila em um formato específico chamado de cone de Taylor  A tensão superficial no cone é vencida impulsionando o fluido em direção do alvo aterrado  O solvente é perdido por evaporação e o polímero vitrifica durante o vôo até o alvo  Ocorre um movimento de instabilidade aerodinâmica chamado de chicoteamento (whipping).  Uma malha de não-tecido é coletada no alvo Texposição = 18 ns Foto: Shin et al, Polymer, 42, (2001) 9955
  39. 39. 5% 10% 15% 15% Solução de PVP/EtOH:DMF (1:1) PVP 5% PVP 10% PVP 15% Formação de fibras - + + Diâmetro das fibras - 0,4-1,2 μm 400- 500 nm Uniformidade da malha - - + Formação de gotas + - - Condições iniciais para eletrofiação de PVP Micrografias malhas iniciais de PVP Malhas de PVP por eletrofiação Fogaça, Catalani, Soft Materials, no prelo.
  40. 40. UV FENTON Fração gel e intumescimento Fogaça, Catalani, Soft Materials, no prelo.
  41. 41. Comparação da quantidade cumulativa de BSA liberada: (▲) nanofibras de PVP –  536 nm (●) nanofibras de PVP –  133 nm (■) filme de PVP por evaporação Atividade debridante Fogaça e Catalani, Soft Materials, no prelo. (A) Perfil de liberação de colagenase: membrana de fibras de PVP –  536 nm (B) Atividade da colagenase
  42. 42.  Formação das AgNPs diretamente na solução de PVP – sem a necessidade de agente redutor; Nanocompósito hPVP/AgNP
  43. 43. Pseudomonas aeruginosa Staphylococcus aureus Escherichia coli Concentração de AgNP no hidrogel (%) Controle 0,01 0,05 0,1 0,5 1 PVP Tetraciclina P. aeruginosa - + + + + - + S. aureus - - + + + - + E. coli - + + + + - + Concentração Mínima Inibitória (experimento) Valores de conc. mínima inibitória do hidrogel PVP/AgNP Atividade bactericida de PVP/AgNP
  44. 44. Atividade fungicida 500 ppm IM 100 ppm DCI C. parapsilosis Fungi Fungicidal Fungicidal amount (% w/w) Positive controls 0.005 0.01 0.025 0.1 PVP/ AgNP Micon azole Ampho tericin C. albicans Imidazole - + + + - + + 4,5-DCI + + + + - + + C. krusei Imidazole - - + + - + + 4,5-DCI + + + + - + + C. parapsilosis Imidazole - - - + - + + 4,5-DCI - + + + - + + 100 ppm IM C. albicans 50 ppm DCI C. krusei 500 ppm IM 50 ppm DCI N H N N H NNC NC
  45. 45. Eletrofiação do PBT/PET com colágeno Co-solução de PBT (4%) e colágeno tipo I de tendão bovino (2%) em TFA Catalani, Collins, Jaffe, Macromolecules, 40 (2007) 1693.
  46. 46. Informações da Área escaneada: 112 pontos por linha e 97 linhas por imagem, em uma área de 15 x 13 μm, dando um total de 10864 espectros adquiridos com tempo de aquisição individual de 0.33 segundos. B C (A) Região Scaneada (B) Espectros Raman (C) Imagem Confocal; Verde – PET; Vermelho – Colágeno; Amarelo – PET + Colágeno Microscopia Confocal Raman S4,6 A
  47. 47. 0,5-0,75 1,25-1,5 2,0-2,25 2,75-3,0 0 5 10 15 20 25 30 35 %Frequencia Diametro (micrometro) S4,6 antes da digestao com colagenase S4,6 antes Ensaio com a colagenase 0,5-0,75 1,25-1,5 2,0-2,25 2,75-3,0 0 5 10 15 20 25 30 35 %Frequencia Diametro (micrometro) S4,6 depois da digestao com colagenase S4,6 depois da digestão com colagenase
  48. 48. 0 1 2 3 4 5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Absorbancia Tempo (dias) PET:Col 100:00 80:20 (S8,2 ) 40:60 (S4,6 ) A B C Ensaio de MTT 3T3-L1 (A) PET (B) S8,2 (C) S4,6 Ensaio biológico com 3T3-L1
  49. 49. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Absorbancia Tempo (dias) PET:Col 100:00 80:20 40:60 0 1 3 5 7 9 15 A B C D E F 4 dias de incubação (A) PET (B) S8,2 (C) S4,6 7 dias de incubação (D) PET (E) S8,2 (F) S4,6 Ensaio biológico com HUVECs C F EB A
  50. 50. Polímeros de fontes renováveis O HO HO OH OH OH HO O OH O O O* * PLLA O O O ** PHB QUÍM. FERM. FERM. OH HO HO OH OH OH O O OH HO H H HO O O OH HO O O OH ISOSORBÍDEO ÁC. SUCCÍNICO ÁC. ITACÔNICO QUÍM. QUÍM. FERM. FERM.
  51. 51. succinate glutarate adipate suberate sebacate dodecanoate 0 10 20 30 40 50 Mw (kDa) cyclohexane cyclohexane: benzene 6:1 Poliésteres derivados de isosorbídeo Juais et al Macromolecules, 43, (2010) 10315
  52. 52. Copolímeros em bloco de ácido lático e succinato de isosorbila Casarano et al Polymer, 50, (2009) 6218
  53. 53. Sample WAXD Wc,x (%) Tg (oC) Tc (oC) DSC Tm (oC) Hm (J g-1) Wc,h (%) PLLA 64 57 n.o. 175 54 58 (50) PIS  56 n.o. n.o.   185-15 59 57 100 162 50 54 (56) 170-30 53 54 113 155 25 27 (31) 160-40 38 58 121 156 32 34 (40) 285-15 49 61 n.o. 164 34 37 (45) 270-30 38 58 n.o. 155 23 25 (12) 260-40 26 63 n.o. 155 1 1 (27) 3  58 n.o. n.o.   Sample a () (H2O) (CH2I2) Surface energy (mN m-1) s s d s p PLLA 82 ± 2 54 ± 2 40 ± 2 33 ± 2 7 ± 2 286-14 72 ± 2 35 ± 1 53 ± 2 42 ± 2 11 ± 2 274-26 82 ± 2 22 ± 1 54 ± 2 47 ± 2 7 ± 2 264-36 82 ± 2 23 ± 2 54 ± 2 47 ± 2 7 ± 2 3 66 ± 3 18 ± 1 62 ± 3 48 ± 3 14 ± 3 Collagen   48 (lit)   Copolímeros em bloco de ácido lático e succinato de isosorbila
  54. 54. Copolímeros de ácido lático e succinato de isosorbila como biomateriais Casarano et al Polymer, 50, (2009) 6218
  55. 55. Copolímeros de ácido lático e succinato de isosorbila como biomateriais PLLA 285-15 270-30 260-40 Casarano et al Polymer, 50, (2009) 6218
  56. 56. Projetos em andamento •Produção de nanofibras alinhadas de polímeros biodegradáveis para crescimento e regeneração de células neurais (Daniel de Souza Alcobia – Mestrado) •Estudo da matriz extracelular (ECM) decelularizada para o desenvolvimento de ECMs artificiais (Mariana Carvalho Burrows – Doutorado) •Produção de suportes poliméricos para o crescimento de células-tronco mesenquimais e sua aplicação em regeneração óssea (Ricardo Bentini – Doutorado) •Desenvolvimento de matrizes poliméricas eletrofiadas para regeneração de membranas timpânicas perfuradas (Ana Paula Serafini Immich – Pós-doutorado) •O uso de matrizes poliméricas eletrofiadas e células troncos de polpa dentária e de adipócitos na engenharia dos tecidos periodontais (Flávia Gonçalves – Pós-doutorado)
  57. 57. • Alliny Naves (PD) • Flávia Gonçalves (PD) • Renata Fogaça (PD) • Ana Paula Serafini Immich (PD) • Ricardo Bentini (D) • Mariana C. Carvalho (D) • Daniel Alcobia (M) • Leonardo Barizon (M) • Daniel Franco Minatelli (IC) • Flávia Caetano Cara (IC) • Felipe de Miranda Barbosa (IC) • Nathália Regina P. de Oliveira (IC) • Mayara Sguerra (IC) • Henrique Tadeu Fernandes (IC) • Vitor Zamarion (D) • Prof. Hernan Chaimovich (IQUSP) • Prof. Iolanda Cuccovia (IQUSP) • Prof. Henrique Toma (IQUSP) • Prof. Koiti Araki (IQUSP) • Prof. Denise Petri (IQUSP) • Prof. Maria Rita P. Bueno (IBUSP) • Prof. Célia Garcia (IBUSP) • Prof. Ana Campa (FCF-USP • Prof. Michael Jaffe (NJIT-USA) • Prof. George Collins (NJIT-USA) • Prof. Richard Gross (Poly-NYU-USA) • Guilhermino Fechine (PD) • Janaína A.G. Barros (PD) • Vânia B. Bueno (D) • Antonio J.C. Brant (D) • Romeu Casarano (D) • Danielle Juais (M) Agradecimentos

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