Collagen Biografts for Tunable Drug Delivery
- 2021
- Buch
- Verfasst von
- Dr. Rucha Joshi
- Verlag
- Springer International Publishing
Über dieses Buch
In diesem Buch werden Biomaterialien auf Kollagenbasis untersucht, die in großem Umfang für das Tissue Engineering und lokale Drug Delivery-Anwendungen eingesetzt wurden, und eine Landschaft für die Entwicklung eines multifunktionalen Biograft-Materials aus Kollagenpolymeren entworfen. Das Buch diskutiert auch aktuelle Mängel bei der Bereitstellung von Medikamenten auf Kollagenbasis, darunter schlechte mechanische Eigenschaften, rascher proteolytischer Abbau und flüchtige Kontrolle über physikalische Eigenschaften und molekulare Freisetzungsprofile. Schließlich wird ein Überblick über die Anwendung von Kollagen-Biograft-Materialien zur Förderung von Neovaskularisation und Geweberegeneration anhand von Beispielen eines etablierten in-vivo-Modells der chorioallantoischen Membran (CAM) aus Hühnereiern präsentiert. Der Einsatz von Heparin für affinitätsbasierte Retentionen des vaskulären Endothelwachstumsfaktors (VEGF) in Kollagenkonstrukten wird ebenfalls diskutiert, um die Neovaskularisierung zu fördern. Überprüfungen modernster Strategien für die Einbindung und Retention von Medikamenten in Kollagen; Behandelt Anwendungen von kollagenbasiertem Material zur Verbesserung der Vaskularisierung und Geweberegeneration; Illustriert, wie die Kollagenarchitektur für das Weichteilengineering und die kontrollierte Medikamentenverabreichung maßgeschneidert werden kann.
Mit KI übersetzt
Über dieses Buch
This book reviews collagen-based biomaterials that have been applied broadly to tissue engineering and local drug delivery applications and lays out a landscape for developing a multifunctional biograft material from collagen polymers. The book also discusses current shortcomings in collagen based drug delivery opportunities, including poor mechanical properties, rapid proteolytic degradation, and cursory control over physical properties and molecular release profiles. Finally, a review of application of the collagen biograft materials for promoting neovascularization and tissue regeneration is presented, using examples of established in-vivo chicken egg chorioallantoic membrane (CAM) model. Use of heparin for affinity-based vascular endothelial growth factor (VEGF) retention in collagen constructs is also discussed for promoting neovascularization.Reviews state-of-the-art strategies for drug incorporation and retention in collagen; Covers collagen based material applications for improving vascularization and tissue regeneration; Illustrates how to tailor collagen architecture for soft tissue engineering and controlled drug delivery.
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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Chapter 1. Introduction to Drug Delivery
Rucha JoshiDas Kapitel "Einführung in die Medikamentenverabreichung" untersucht das rasche Wachstum des nordamerikanischen Arzneimittelabgabemarktes, das durch die zunehmende Einführung von Medikamententechnologien und die Akzeptanz der Patienten angetrieben wird. Es unterstreicht die erheblichen Kosten- und Zeitunterschiede zwischen der Entwicklung neuer chemischer Substanzen und neuartiger Medikamentenabgabesysteme. Der Übergang von Systemen der "nachhaltigen Freisetzung" zu Systemen der "kontrollierten Freisetzung" wird diskutiert, wobei die Notwendigkeit einer präzisen Kontrolle und Minimierung der Variabilität betont wird. Das Kapitel geht auch auf das Potenzial von Kollagen als Biomaterial für die Medikamentenverabreichung und das Gewebe-Engineering ein und verweist auf seine idealen Eigenschaften und die Herausforderungen, die seinen klinischen und kommerziellen Erfolg begrenzt haben. Das Kapitel schließt mit der Betonung der Notwendigkeit besser charakterisierter Kollagenformulierungen, um sein Potenzial für multifunktionale, weiche Geweberekonstruktionen und Medikamentenverabreichungsanwendungen voll auszuschöpfen.KI-Generiert
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AbstractFunctional tissue regeneration requires careful merger of optimal biograft material with drug delivery technology. Type I collagen, the predominant and major structural component of the extracellular matrix represents an ideal natural polymer candidate for such integrated tissue engineering and local molecular delivery strategies. Despite several advantages over other materials including biological signaling capacities, proteolytic biodegradability, low immunogenicity, and collagen-based biomaterials have found a very limited commercialization and clinical application. There is a scope to overcome the disadvantages that obstruct the potential of collagen as a multifunctional delivery platform for soft tissue reconstruction and be able to precisely and predictably control its microstructure, mechanical properties, and proteolytic degradability. -
Chapter 2. From In Vivo Synthesis to In Vitro Drug Delivery Device Formation
Rucha JoshiDas Kapitel befasst sich mit der Synthese und Selbstzusammensetzung von Kollagen und betont seine einzigartigen strukturellen Eigenschaften und Vorteile für die Medikamentenverabreichung. Darin werden die biophysikalischen Eigenschaften von Typ-I-Kollagen und seine Rolle im Gewebeengineering diskutiert. Der Fokus verlagert sich dann auf die Herausforderungen konventioneller Kollagenformulierungen, die die inhärente Selbstorganisation von Kollagen nicht erfassen. In diesem Kapitel werden innovative Ansätze vorgestellt, die einzigartige Kollagenbausteine verwenden, die die Selbstmontage erhalten und eine überlegene mechanische Integrität sowie eine kontrollierte Freisetzung von Medikamenten bieten. Außerdem werden verschiedene Methoden der Medikamenteneinbindung und ihre Auswirkungen untersucht, wobei die Notwendigkeit weiterer Fortschritte bei kollagen-basierten Medikamentenabgabesystemen hervorgehoben wird.KI-Generiert
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AbstractType I collagens endowed with many capabilities such as self-assembly into fibrils in vivo; mechanical integrity and structural support provision required for cells to attach, proliferate, and communicate in vivo; facilitation of the nutrient and oxygen transportation to tissue through its porous structure, regulating the in vivo activity of small molecules in a tissue (e.g., growth factors) (Lee CH, Singla A, Lee Y, Int J Pharm 221:1–22, 2001, Jones LL, Oudega M, Bunge MB, Tuszynsk MH, J Physiol 533:83–89, 2001, Milev P, Monnerie H, Popp S, Margolis RK, Margolis RU, J Biol Chem 273:21439–21442, 1998) and biodegradability into nontoxic release products. However, it is important to understand that these unique biophysical properties of type I collagen can be attributed to its in vivo synthesis and self-assembly (Bhattacharjee A, Bansal M, IUBMB Life, 57:161–172, 2005, Borel JB, Monboisse JC, C R Seances Soc Biol Fil 187:124–142,1993, Hellmich C, Ulm FJ, J Biomech 35:1199–1212, 2002, Puxkandl R, Zizak I, Paris O, Keckes J, Tesch W, Bernstorff S, Purslow P, Fratzl P, Philos Trans R Soc Lond Ser B Biol Sci 357:191–197, 2002, Bozec L, Horton M, Biophys J 88:4223–4231, 2005). Therefore to use collagen as a successful drug delivery candidate, its unique features such as its hierarchical structure and its self-assembly must be preserved or mimicked. Conventional collagen formulations that do not capitalize on such collagen self-assembly scarcely make it to materials for clinical application as a result of structures with poor mechanical properties and fast degradation as well as the rapid release of drug molecules from the collagen matrix. Some ideas to overcome these limitations of conventional collagen include – (i) isolating and using unique collagen building blocks that can self-assemble in vitro, (ii) applying drug-loading methods through which drugs are entrapped within or attached to collagen without affecting its biophysical properties. Compromises made to collagen through formulations that do not focus on its inherent mechanical strength, structure, and self-assembly, and add exogenous or chemical cross-linking, deter the therapeutic use of collagen. While the versatility of collagen lends itself well to a variety of medical applications, it can be truly captured by focusing on the inherent characteristics of collagen. -
Chapter 3. Creating Tunable Collagen Matrices – An Approach Inspired by In Vivo Collagen Synthesis and Self-Assembly
Rucha JoshiDas Kapitel befasst sich mit der Erzeugung abstimmbarer Kollagenmatrizen, die von der natürlichen Kollagensynthese und Selbstzusammensetzungsprozessen inspiriert sind. Es unterstreicht die Bedeutung der Kontrolle der molekularen Abgabe durch Kollagen durch Manipulation der Mikrostruktur und proteolytischen Abbaubarkeit. Die Autoren diskutieren die Grenzen konventioneller Kollagenformulierungen und stellen alternative technische Variablen vor, um eine abstimmbare Freisetzung zu erreichen. Die Verwendung selbstassemblierender Kollagenbausteine wie Oligomere und Telocollagene wird untersucht und zeigt, wie unterschiedliche Kombinationen die mechanischen Eigenschaften und molekularen Freisetzungseigenschaften der resultierenden Matrizen beeinflussen können. Dieser Ansatz bietet eine vielversprechende Möglichkeit, die Medikamentenbereitstellungsplattformen an die Regenerationsraten von Gewebe anzupassen und die therapeutische Wirksamkeit zu verbessern.KI-Generiert
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AbstractThe tunability of collagen at a fibrillar and molecular level, along with its proteolytic degradability, can offer a great potential to create multifunctional soft tissue grafts capable of spatiotemporal molecular delivery. However, conventional collagen implants with minimal or no crosslinking provide little control over tunability without having exogenously cross-linked and/or chemically treated. Without these modifications, conventional collagen formulations degrade rapidly, without allowing for the host tissue to deposit its own ECM (Liang HC, Chang Y, Hsu CK, Lee MH, Sung HW, Biomaterials 25:3541–3552, 2004). Therefore, there is a need to regulate collagen microstructure as well as the degradation (Perez-Puyana V, Romero A, Guerrero A, J Biomed Mater Res Part A 104:1462–1468, 2016) in a way that preserves collagen properties and provides desired molecular release kinetics. When designing a drug delivery system, it is important to quantify molecular release kinetics, analyze the empirical model of molecular release, and elucidate the mechanisms involved in the release process (Siegel RA, Rathbone MJ, Fundamentals and applications of controlled release drug delivery. Springer US, Boston, 2012). -
Chapter 4. Collagen Biografts for Chronic Wound Healing
Rucha JoshiDieses Kapitel befasst sich mit dem innovativen Einsatz von Kollagenbiografts zur chronischen Wundheilung. Es beginnt mit der Erklärung der Notwendigkeit eines "abstimmbaren" Medikamentenabgabesystems, das den Zeitpunkt, die Dauer, die Dosierung und den Ort der Medikamentenfreisetzung modulieren kann. Der Text untersucht dann die Pathophysiologie chronischer Wunden und hebt die Störung des normalen Wundheilungsprozesses und die Herausforderungen hervor, die von übermäßiger proteolytischer Aktivität und entzündungsfördernden Zytokinen ausgehen. In diesem Kapitel werden auch kommerziell erhältliche kollagenbasierte Wundauflagen untersucht und deren Vorteile und Grenzen diskutiert. Abschließend wird die Notwendigkeit der Weiterentwicklung von Medikamenten auf Kollagenbasis betont, die die Vaskularisierung verbessern und die Regeneration des Gewebes fördern können.KI-Generiert
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AbstractChronic wounds fail to heal due to an imbalance between extracellular matrix (ECM) deposition and degradation, impaired cell recruitment, and lack of essential neovascularization (Demidova-Rice TN, Durham JT, Herman IM, Adv Wound Care 1:17–22, 2012). Normal healing of acute wounds represents a multistep process beginning with hemostasis and inflammation during the acute stages of healing, followed by phases of robust cellular proliferation, ECM deposition, matrix remodeling, and ultimately scar formation (Gurtner GC, Werner S, Barrandon Y, Longaker MT, Wound Repair Regen 453:314–321, Singer AJ, Clark RAF, N Engl J Med 341:738–746, 1999). However, in chronic wounds, the dynamic spatiotemporal interaction between endothelial cells, angiogenesis factors, and surrounding ECM proteins is impaired (Barrientos S, Brem H, Stojadinovic O, Tomic-Canic M, Wound Repair Regen 22:569–578, 2014), causing the wound to be in a permanent inflammatory state (Wild T, Rahbarnia A, Kellner M, Sobotka L, Eberlein T, Nutrition 26:862–866, 2010) and display increased proteolytic activity contributed by excessive production of matrix metalloproteinases (MMPs) (Rayment EA, Upton Z, Shooter GK, Br J Dermatol 158:951–961, 2008, Yager DR, Nwomeh BC, Wound Repair Regen 7:433–441, 1999). MMPs in turn break down components of the ECM and inhibit growth factors that are essential for tissue synthesis and regeneration (Muller M, Trocme C, Lardy B, Morel F, Halimi S, Benhamou PY, Diab Med 25:419–426, 2008). Therefore, promoting recreation of the natural type I collagen fibril scaffold while fostering rapid and functional neovascularization and tissue regeneration at the wound site is pivotal to the restoration of healing of chronic wounds. While many advanced wound dressings and skin substitutes have been introduced in the wound care market during the last decades (Yazdanpanah L, Nasiri M, Adarvishi S, World J Diabet 6:37–53, 2015, Vyas KS, Vasconez HC, Healthcare 2:356–400, 2014, Hrabchak C, Flynn L, Woodhouse KA, Expert Rev Med Devices 3:373–385, 2006, Bello YM, Falabella AF, Eaglstein WH, Am J Clin Dermatol 2:305–313, 2001, Kamel RA, Ong JF, Eriksson E, Junker JPE, Caterson EJ, J Am Coll Surg 217:533–555, 2013, Biedermann T, Boettcher-Haberzeth S, Reichmann E, Eur J Pediatr Surg, 23:375–382, 2013, Frykberg RG, Zgonis T, Armstrong DG, Driver VR, Giurini JM, Kravitz SR, Landsman AS, Lavery LA, Moore JC, Schuberth JM, Wukich DK, Andersen C, Vanore JV, J Foot Ankle Surg 45:S1–S66, 2006, Moura LIF, Dias AMA, Carvalho E, de Sousa HC, Acta Biomater 9:7093–7114, 2013), no general satisfactory clinical solution has been achieved to date (Moura LIF, Dias AMA, Carvalho E, de Sousa HC, Acta Biomater 9:7093–7114, 2013, Briquez PS, Hubbell JA, Martino MM, Adv Wound Care 4:479–489, 2015) because of undesirable outcomes of these products, including inflammation-mediated healing leading to scar formation rather than tissue regeneration, slow neovascularization, and cellularization, and a need for multiple applications that adds to patient discomfort, pain, and healthcare cost. Tunable drug delivery devices made from collagen can overcome these problems through the improved design of multifunctional biografts. -
Chapter 5. Application of Collagen Fibril Biografts for Enhancing Local Vascularization in an In-Vivo Chick Chorioallantoic Membrane (CAM) Model
Rucha JoshiDas Kapitel diskutiert die Herausforderungen der Vaskularisierung von technischen Matrizen und das Potenzial von kollagenbasierten Biografts, Wachstumsfaktoren für die Vaskularisierung zu liefern. Es untersucht die Rolle von Wachstumsfaktoren wie VEGF bei der Reparatur und Regeneration von Gewebe und die Bedeutung kontrollierter Freisetzungssysteme für eine optimale Dosierung. In diesem Kapitel wird auch der Einsatz des Chorioallantoic Membrane (CAM) -Modells für die In-vivo-Prüfung des Gefäßpotenzials von Küken hervorgehoben. Darüber hinaus werden die Designstrategien für kollagenbasierte Biografts und die Bedeutung von Heparin für die effektive Beibehaltung und Bereitstellung von VEGF diskutiert. Das Kapitel schließt mit der Betonung der Notwendigkeit weiterer Forschung, um den Einsatz von Kollagenbiografts für klinische Anwendungen zu optimieren.KI-Generiert
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AbstractPoor vascularization is a hallmark of chronic wounds such as diabetic foot ulcers. Vascularization can be improved through the use of growth factors (GFs) such as VEGF, delivered using collagen-based materials. However, the GFs are delicate to handle, costly to use, and must be administered in the correct dosages for the safety of the patient. One of the problems currently is the poor ability of collagen constructs to become vascularized within a reasonable time. This calls for the design of collagen-based drug delivery systems that allows for controlled, precise, sustained, and localized release of GFs. Affinity-based retention strategy binding VEGF to heparin and heparin to collagen has the potential to offer controlled release of VEGF through collagen while retaining the collagen fibril’s physiologically relevant self-assembly properties. Heparin and VEGF quantity should be carefully chosen to not affect VEGF or collagen biological activity and physical properties. The therapeutic vascularization potential of collagen-based systems can be tested on the Chorioallantoic membrane (CAM) model because of its simplicity, inexpensiveness, and suitability for large-scale screening. -
Backmatter
- Titel
- Collagen Biografts for Tunable Drug Delivery
- Verfasst von
-
Dr. Rucha Joshi
- Copyright-Jahr
- 2021
- Electronic ISBN
- 978-3-030-63817-7
- Print ISBN
- 978-3-030-63816-0
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-030-63817-7
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