1

RAPORT STIINTIFIC pentru perioada 2012-2015 a proiectului PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028

Denumirea proiectului: SISTEME DE INSPIRATIE BIOLOGICA PENTRU ENTITATI PROIECTATE

STRUCTURAL SI FUNCTIONAL

Coordonator: INSTITUTUL DE CHIMIE MACROMOLECULARA „PETRU PONI” DIN IASI

Director de proiect: DR. MARIANA PINTEALA

ADRESA WEB: http://www.intelcentru.ro/Biomimetics_PCCE/ro/

http://www.intelcentru.ro/Biomimetics_PCCE/ro/index.html

CUPRINS:

Preambul .....…………………………………………….......………………………… 2

RAPORT STIINTIFIC pentru faza 2012 …………………………………………... 3

RAPORT STIINTIFIC pentru faza 2013 …………………………………………... 9

RAPORT STIINTIFIC pentru faza 2014 …………………………………………... 30

Bibliografie 2012-2014 ........……………………………………………………..…… 86

RAPORT STIINTIFIC pentru faza 2015 …………………………………………... 91

Bibliografie 2015 ...................………………………………………………………… 130

http://www.intelcentru.ro/Biomimetics_PCCE/ro/ http://www.intelcentru.ro/Biomimetics_PCCE/ro/index.html

2

PREAMBUL

Datorita cerintelor crescande pentru un nivel ridicat al calitatii vietii, in ultimii ani s-a remarcat o

crestere a pietii de desfacere a produselor de uz biomedical, inregistrandu-se sporuri anuale ale vanzarilor de

peste 29%, ceea ce a stimulat intensificarea cercetarilor si extinderea investitiilor in acest domeniu. Un rol

important revine dispozitivelor dedicate medicinei regenerative si a sistemelor cu eliberare a principiilor

active, inclusiv a materialului genetic. Astfel, din cele aproximativ 454,3 miliarde de dolari reprezentand

valoarea estimata la nivelul anului 2014 pentru cele mai importante zece categorii de produse de uz

biomedical si domeniile tehnologice aferente, piata sistemelor de eliberare a principiilor active reprezinta

circa 110,8 miliarde (Today’s Medical Developments)1.

Cautarea de noi metode pentru a controla interactiunile nanomaterialelor cu sistemele biologice,

reprezinta una dintre provocarile recente pentru transpunerea acestor noilor (bio)tehnologii in terapii.

Cercetarile recente urmaresc dezvoltarea de sisteme si dispozitive multifunctionale, proiectate rational, care

sa asigure obtinerea performantelor vizate in sfera biomedicala. Obiectivele curente in acest sens sunt: (i)

studiul fezabilitatii proceselor de mimare a mecanismelor viului, in scopul aducerii pe piata a unor tehnici

terapeutice inovatoare, (ii) posibilitatea de a realiza sisteme multifunctionale care sa indeplineasca simultan

multiple cerinte biologice si terapeutice si (iii) extinderea performantelor tehnicilor terapeutice secondate de

micro- si nano-entitati, in conditile respectarii standardelor privind toxicologia si biocompatibilitatea.

In acest context, un rol important revine stiintei si ingineriei materialelor polimerice, in sensul

controlului compozitiei, functionalitatii si topologiei polimerilor, pe fundalul utilizarii instrumentelor

avansate de caracterizare, simulare si predictie2. In scopul generarii de arhitecturi macromoleculare

complexe, capabile sa indeplineasca functii biologice, s-au dezvoltat strategii eficiente, care au la baza, pe

de-o parte, utilizarea entitatilor functionale (macro)moleculare drept unitati de asamblare (building blocks),

iar pe de alta, combinarea alternativelor conventionale si noi de preparare a respectivelor unitati.

Asigurarea concomitenta a performantelor fizico-chimice, biologice si a prelucrabilitatii, cu relevanta

in aplicatiile clinice, impune combinarea de materiale din clase si subclase diferite (materiale

organice/anorganice, polimeri sintetici si naturali etc.), dar si a unor procedee si sisteme din domenii diferite

de aplicare.

Obiectivul general al proiectului: Proiectarea, generarea si caracterizarea unor entitati nano- si

micro-structurate, active drept „unelte” in tehnicile de reprogramare si terapie genica, precum si in ingineria

tisulara.

3

RAPORT STIINTIFIC

pentru faza 2012, unica, a proiectului PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028

Problematica abordata de catre colectivul proiectului PN-II-ID-PCCE-2011-2-028, in etapa 2012:

1. Conceperea principiilor de realizare a vectorilor genetici non-virali

2. Realizarea de vectori non-virali:

- sinteza si purificarea derivatilor de fullerena C60

- simularea moleculara a precursorilor vectorilor non-virali.

- sinteza, purificarea, caracterizarea si testarea citotoxicitatii pe linia celulara HepG2 a

nanoparticulelor magnetice de tip miez-manta, cu structura magnetita-heparina-Rheina

- sinteza structurilor rotaxanice pe baza de ciclodextrina

- sinteza si caracterizarea nanoparticulelor cu capacitate de raspuns la stimuli externi

- obtinerea si caracterizarea precursorilor destinati realizarii substitutelor matricei extracelulare

- obtinerea si caracterizarea hidrogelurilor si a criogelurilor pe baza de atelocolagen si

glicozamino-glicani, destinate realizarii substitutului matricei extracelulare

3. Formarea si extinderea resursei umane alocate proiectului

4. Diseminarea rezultatelor studiilor derulate in cadrul etapei 2012 a proiectului

Preambul - La originea multor afectiuni ale organismelor vii se regasesc gene imperfecte („defecte”), care

determina evolutii anormale ori chiar aberante ale celulelor. Ele induc supraexprimarea unor proteine, sau

determina biosinteza de protine nefunctionale, fapt care se soldeaza cu devierea severa a metabolismului

celular, tisular, ori chiar al organismului in ansamblul sau, deviere ce poate conduce la moartea celulelor

afectate, ori, dimpotriva, la „functionarea” lor la parametrii supradimensionati si/sau la multiplicarea lor

necontrolabila. Pentru a corecta consecintele activitatii genelor „defecte”, terapia genica propune doua cai

pentru interventia in functionarea aberanta a celulelor, respectiv:

(i) – introducerea unor gene suplimentare in zestrea genetica a celulelor afectate, gene care de regula sunt

versiuni corect functionale ale celor „defecte”, dar care pot fi si distincte fata de acestea din urma, actionand

complementar ori antagonic lor; in aceasta varianta de interventie, in nucleul celular se introduc tronsoane

de ADN simplu sau dublu catenar ce poarta informatie genetica valida, ori plasmide ce au fost suplimentate

cu tronsoane de ADN special inserate, purtatoare de informatie genetica;

(ii) – suspendarea manifestarii genelor „defecte” prin suprimarea replicarii lor in celulele fiice, prin limitarea

transcrierii lor, ori prin interventia asupra mecanismelor post-transcriptionale, respectiv asupra sistemelor de

translatare a informatiei genetice in structuri proteice (asa numita tehnica a interferentei ARN, RNAi,

soldata cu moderarea exprimarii proteinelor codificate).

Procesul de introducere deliberata a acizilor nucleici (cDNA, dsDNA, ssDNA, siRNA) in celule

eucariote uzand de vectori non-virali poarta denumirea de transfectie. Atunci cand se recurge la vectori

virali, procesul este denumit transductie. Pentru „livrarea” informatiei genetice prin transfectie se aplica

procedee fizice sau chimice (Figura 1).

4

Figura 1. Cai uzuale pentru realizarea transfectiei asupra celulelor eucariote.

2. Obiectivul general al studiilor: Proiectarea, generarea si caracterizarea unor entitati nano- si micro-

structurate, active drept „unelte” in tehnicile de reprogramare si terapie genica, precum si in ingineria

tisulara.

3. Problematica abordata de catre colectivul proiectului PN-II-ID-PCCE-2011-2-028, in etapa 2012

(i) – in planul conceperii principiilor realizarii de vectori genetici non-virali:

- constituirea unei baze documentare asupra tehnicilor si metodelor de transfectie, precum si asupra

realizarii vectorilor genetici non-virali;

- proiectarea compozitionala si structurala a vectorilor genetici destinati transfectiei celulelor

canceroase si a celor specifice tesutului osos;

- proiectarea metodelor de sinteza/preparare a precursorilor vectorilor genetici destinati transfectiei

celulelor canceroase si specifice tesutului osos;

- stabilirea tehnicilor de investigare specifice etapelor de sinteza / preparare a precursorilor

vectorilor genetici destinati transfectiei celulelor canceroase si specifice tesutului osos;

- stabilirea cailor si a etapelor de preparare a unor vectori non-virali ca entitati functionale,

caracterizate prin: (a) dimensiuni si conformatii apte asocierii cu tronsoane de ADN/ARN, in conditii

non-inactivante; (b) solubilitate in mediu apos, atat individual, cat si in asociere cu tronsoanele de

ADN/ARN; (c) stabilitate compozitionala si conformationala in mediul tisular si intracelular; (d)

abilitatea de a strapunge membrana celulara fara destructurarea asocierii cu acizii nucleici; (e)

rezistenta la agresiunile enzimatice din mediul intracelular; (f) trasabilitate