Polyoxazoline hydrogels - pluripotent carriers of antimicrobials for local treatment of osteomyelitis
- POLYAMOS -
Project ID: PN-III-P2-2.1-PED-2021- 2544
Project leader: Valentin Victor Jerca
Project type: National Funding
Project program: Research projects to stimulate the competitivity of Romanian economy – Demonstrative experimental projects – Competition 2021
Funding Agency: Unit Executive for Funding Higher Education, Research, Development and Innovation
Contractor: Institute of Organic and Supramolecular Chemistry "Costin D. Nenitescu"
Partner: National Institute of Military Medical Research and Development "Cantacuzino"
Start date: 01 September 2022
End date: 31 August 2024
Project abstract:
The present project aims at developing a pluripotent carrier, based on poly(2-isopropenyl-2-oxazoline) (PiPOx) hydrogels, incorporating multiple antimicrobial agents with different mechanisms of action against aerobic and anaerobic microorganism, showing controlled drug release for the local treatment of osteomyelitis infections. One of the main challenges in developing efficient treatments against osteomyelitis infections is its complex microbial etiology. Extensive treatments with prolonged systemic intravenous antibiotic treatment lasting for many weeks have been implemented, but these induce high patient discomfort and can be toxic due to high doses applied over a long period of time. As alternative, herein, we propose the use of PiPOx to develop advanced functional hydrogel materials, combined with antimicrobial agents that will endow the hydrogels with antiseptic properties to alleviate the problems associated with bacterial infection in osteomyelitis. Two distinct antibiotics, nafcillin and metronidazole, will be conjugated to PiPOx matrix, while the antimicrobial peptides, will be physically entrapped in the hydrogel in synergistic antimicrobial approach. Via the herein proposed objectives and activities, the multidisciplinary team of researchers undertook the challenge to demonstrate that PiPOx conjugated hydrogels may represent a feasible solution in the construction of advanced drug-delivery systems for sustained release.
O1. The first objective aims to optimize the syntheses of PiPOx conjugates and the biodegradable PiPOx hydrogels loaded with AMP (TRL 2, CCO)
O2. The second objective is to test and validate the biodegradability and drug-release profiles of conjugated PiPOx and PiPOx hydrogels. (TRL 3, CCO and IC)
O3. The third objective is to test and validate the antimicrobial and cytotoxicity of conjugated PiPOx and PiPOx hydrogels. (TRL 4 for IC)
O4. The fourth objective is to examine the ability of PiPOx hydrogels loaded with AMP to regulate inflammatory response mediated by Toll-like receptors (TRL 4 for IC)
Project leader:
Dr. Ing. Valentin Victor Jerca
Email: victor_jerca@yahoo.com , victor.jerca@ccocdn.ro
Partner responsible Cantacuzino:
Dr. Ing. Diana Elena Giol
Email: diana_giol@yahoo.com , giol.diana@cantacuzino.ro
Research Members:
Dr. Ing. Florica Adriana Jerca
Email: adriana_jerca@yahoo.com , adriana.jerca@ccocdn.ro
Dr. Ing. Doriana Nicoleta Banu
Email: doriana.banu@yahoo.com , doriana.banu@ccocdn.ro
Dr. Ing. Dumitru Mircea Vuluga
Email: vuluga@yahoo.com
Phd member
Emilian Ghibu
Tehnicians
Valerica Albu
Mariana Balea
Doinita Pasalega
Rezumat Etapa 1/2022
În cadrul primei etape au fost efectuate sinteze organice, polimerizări și reacții polimer analoage, în echipa coordonatorului pentru obține hidrogeluri ce încorporează medicament. Sintezele au fost optimizate și materialele intermediare au fost caracterizate în detaliu din punct de vedere fizico-chimic. Probele de hidrogeluri cu cele mai favorabile caracteristici au fost transmise către Partenerul 1 pentru teste de citotoxicitate preliminare și pentru a determina profilul antiinflamator al materialelor dezvoltate. Hidrogelurile au prezentat o viabilitate celulară de peste 70%, fiind considerate biomateriale non-citotoxice și indicând absența unor compuși toxici rezultați în urma degradării. Testele in vitro pentru detectarea markerului proinflamator IL-6 au confirmat că extractele rezultate în urma degradării hidrogelurilor nu induc răspuns inflamator. Rezultatele științifice preliminarii au fost diseminate parțial în cadrul a 3 conferințe (inter)naționale de echipa coordonatorului.
Activitatea 1.1. Sinteza polimerului PiPOx și a conjugatelor polimerice PiPOx cu antibioticele a fost realizată.
Activitate 1.2. Sinteza hidrogelurilor de PiPOx care încorporează antibioticele și proteinele antimicrobiene a fost realizată.
Activitate 1.3. Caracterizarea fizico-chimică a PiPOx, a conjugatelor PiPOx și a hidrogelurilor PiPOx a fost realizată.
Activitatea 1.4. Diseminare și participare la manifestări tehnico-științifice a fost realizată.
Rezumat Etapa 2/2023
În cadrul celei de-a doua etape au fost efectuate studii de optimizare a parametrilor de rețea a hidrogelurilor obținute de la conjugatele PiPOx cu antibiotic în vederea optimizării profilului de eliberare a agentului terapeutic. A fost evaluată biodegradabilitatea conjugatelor PiPOx și a hidrogelurilor în prezența enzimelor. Structura chimică a conjugatelor polimerice precum și a hidrogelurilor rezultate a fost analizată riguros prin tehnici spectroscopice avansate și testare mecanică. S-au efectuat studii avansate in vitro privind efectul citotoxic și inflamator al PiPOx, PiPOx conjugat și al hidrogelurilor asupra mai multor linii celulare. De asemenea, s-au evaluat proprietățile antibacteriene ale hidrogelurilor cu metronidazol, nafcilină sau o combinație a acestora împotriva dezvoltării biofilmelor bacteriene formate de diferite tulpini bacteriene de importanță medicală. Rezultatele științifice obținute au fost diseminate parțial în cadrul a 4 conferințe (inter)naționale de echipa coordonatorului și a partenerului 1.
Activitatea 2.1.Evaluarea stabilității in vitro a hidrogelurilor PiPOx ca atare și încorporarea compușilor antimicrobieni activi (antibiotice, APM și/sau combinație a acestora) a fost realizată.
Activitatea 2.2 Evaluarea biodegradabilității conjugatelor PiPOx și a hidrogelurilor PiPOx în prezența enzimelor a fost realizată.
Activitatea 2.3 Experimente in vitro de eliberare a agenților antimicrobieni din conjugatele PiPOx și hidrogelurile PiPOx a fost realizată.
Activitatea 2.4 Evaluarea citotoxicității și a interactivității celulare a conjugaților PiPOx, hidrogelurilor PiPOx, ca atare, și încorporând compușii antimicrobieni activi a fost realizată.
Activitatea 2.5 Evaluarea proprietăților antibacteriene ale hidrogelurilor PiPOx- Metronidazol și AMP și/sau o combinație a acestora împotriva Bacteroides fragilis a fost realizată.
Activitatea 2.6 Evaluarea proprietăților antibacteriene ale hidrogelurilor PiPOx-Metronidazol și AMP și/sau o combinație a acestora împotriva Clostridium perfringens a fost realizată.
Activitatea 2.7 Evaluarea proprietăților antibacteriene ale hidrogelurilor PiPOx-Nafcilină și AMP și/sau o combinație a acestora împotriva biofilmului de Staphylococcus aureus a fost realizată.
Activitatea 2.8 Diseminare și participare la manifestări tehnico-științifice a fost realizată.
Rezumat Etapa 3/2024
În cadrul celei de-a treia etape au fost efectuate studii privind influența peptidei antimicrobiene LL-37 asupra răspunsului inflamator generat prin activarea receptorilor Toll-like (TLR) de către componentele bacteriene. Aceste studii au inclus stimularea liniilor celulare de monocite sau macrofage cu liganzi clasici ai TLR (cum ar fi LPS, PamCys2, lipoproteine) și/sau bacterii inactivate termic, pentru a induce producția de citokine proinflamatorii.
Rezultatele științifice obținute au fost diseminate în cadrul unei conferințe internaționale de echipa coordonatorului, prin publicarea unui articol ISI în parteneriat, și prin elaborarea altor două articole științifice în parteneriat aflate în evaluare și respectiv trimise spre publicare.
Activitatea 3.1. Optimizarea unui model in vitro de activare a TLR a fost realizată.
Activitatea 3.2. Evaluarea efectului peptide antimicrobiene LL-37 ca atare și încărcată în hidrogel PiPOx asupra răspunsului inflamator a fost realizată.
Activitatea 3.3 Diseminarea pe scară largă prin comunicarea și publicarea națională sau internațională a rezultatelor a fost realizată.
Activitatea 3.4 Diseminare și participare la manifestări tehnico-științifice a fost realizată.
Prezentare succintă
În cadrul proiectului experimental demonstrativ a fost dezvoltată o platformă inovativă și versatilă de hidrogeluri biodegradabile. Aceste hidrogeluri sunt concepute pentru transportul și eliberarea controlată și țintită a unor agenți antimicrobieni cu efect împotriva microorganismelor aerobe și anaerobe implicate în infecțiile de osteomielită. În baza activităților specifice derulate în cadrul proiectului s-a demonstrat că aceste materiale îmbunătățesc eficiența antimicrobiană împotriva tulpinilor microbiene de referință, de tipul B. fragilis, Clostridium perfringens și S. Aureus, printr-o eliberare controlată a agenților antimicrobieni activi conjugați și/sau încorporați fizic.
Modelul validat de hidrogeluri biodegradabile purtătoare de agenți antimicrobieni dezvoltat aici combate unele dintre dezavantajele actuale pe care le prezintă materialele convenționale, demonstrând o eficiența antimicrobiană sinergică adaptată la tulpina microbiană țintă. De asemenea, studiile au evidențiat că atât conjugatele de PiPOx cu antibiotic dezvoltate cât și hidrogelurile purtătoare prezintă o citotoxicitate redusă și nu generează un răspuns inflamator acut pe liniile celulare testate.
Publications
1. E. Ghibu, V. Vasile, I. Caraş, E.D. Giol, N. D. Banu, D. M. Vuluga, R. Stan, V. V. Jerca, F.A. Jerca, Poly(2-isopropenyl-2-oxazoline) Hydrogels with Biodegradable Junction Points for Drug-Delivery Applications. Chemistry of Materials 2024, 36, (15), 7459-7475.
2. E. Ghibu, N.D. Banu, R. Mitran, D.M. Vuluga, V.V. Jerca, F.A. Jerca, R. Stan, Thermal properties and the states of water in poly(2-isopropenyl-2-oxazoline) crosslinked networks. Articol în evaluare în University Politehnica of Bucharest Scientific Bulletin Series B-Chemistry and Materials Science.
3. E. Ghibu, C. Țucureanu, V. Tofan, E.D. Giol, D.M. Vuluga, R. Stan, V.V. Jerca, F.A. Jerca; Titlu Poly(2-isopropenyl-2-oxazoline) Hydrogels as Versatile Drug Delivery Systems: Exploring Protein Interactions and Therapeutic Potential, articol trimis spre publicare.
Conferences
1. V.V. Jerca, ”Poly(2-Isopropenyl-2-Oxazoline) for the development of smart polymeric Materials: from Fundamentals to Applications”, a XXXVI-a CONFERINŢĂ NAŢIONALĂ DE CHIMIE, 4-8 octombrie 2022, CĂLIMĂNEŞTI-CĂCIULATA, Conferință plenară
2. E. Ghibu, N.D. Banu, D.M. Vuluga, V.V. Jerca, F.A. Jerca, DEGRADABLE HYDROGELS BASED ON POLY(2-ISOPROPENYL-2-OXAZOLINE) FOR DRUG DELIVERY APPLICATIONS, a XXXVI-a CONFERINŢĂ NAŢIONALĂ DE CHIMIE, 4-8 octombrie 2022, CĂLIMĂNEŞTI-CĂCIULATA, Comunicare orală
3. E. Ghibu, N.D. Banu, D.M. Vuluga, V.V. Jerca, F.A. Jerca, POLY(2-ISOPROPENYL-2-OXAZOLINE) HYDROGELS WITH TUNABLE STRUCTURES AND PROPERTIES FOR DRUG DELIVERY APPLICATIONS, International Symposium on Polymer and Supramolecular Chemistry, 25 Octombrie 2022, Bucuresti, Comunicare orală
4. F.A. Jerca, V.V. Jerca, „Biodegradability and in vitro cytotoxicity study of poly(2-isopropenyl-2-oxazoline)”, Advanced Polymers via Macromolecular Engineering 2023, 23-27 aprilie 2023, Paris, Franța. Poster.
5. V.V. Jerca, “Responsive soft materials for advanced applications”, 15th Edition of the Conference ”New Trends in Chemistry Research”, 21-22 Septembrie 2023, Timișoara, România. Conferință plenară.
6. E. Ghibu, D. M. Vuluga, V.V. Jerca, F.A. Jerca, “Hydrogels with tunable degradability based on poly(2-isopropenyl-2-oxazoline) for drug delivery applications”, 15th Edition of the Conference ”New Trends in Chemistry Research”, 21-22 Septembrie 2023, Timișoara, România. Prezentare orală.
7. S. Cecoltan, I. Caras, C. Tucureanu, V. Vasile, D.M. Vuluga, F.A: Jerca, A. Salageanu, V.V. Jerca, E.D. Giol, “Polyoxazolines – stability, bio- and haemocompatibility study”, 15th Edition of the Conference ”New Trends in Chemistry Research”, 21-22 Septembrie 2023, Timișoara, România. Poster.
8. V.V. Jerca, “Engineering Functional Monomers: En Route to Advanced Materials”, IUPAC MACRO 2024 The 50th World Polymer Congress, 1-4 Iulie 2024, Warwick, U.K., Invited lecture.
