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Temperature and pH-responsive in situ hydrogels of gelatin derivatives to prevent the reoccurrence of brain tumor - 09/10/21

Doi : 10.1016/j.biopha.2021.112144 
Ji Hee Kang a, 1, Md Hasan Turabee a, 1, Doo Sung Lee b, Young Jik Kwon c, d, e, f, Young Tag Ko a,
a College of Pharmacy, Gachon Institute of Pharmaceutical Science, Gachon University, 21936 Incheon, South Korea 
b School of Chemical Engineering, Theranostic Macromolecules Research Center, Sungkyunkwan University, 16419 Suwon, South Korea 
c Department of Chemical Engineering and Materials Science, University of California, 92697 Irvine, CA, United States 
d Department of Molecular Biology and Biochemistry, University of California, 92697 Irvine, CA, United States 
e Department of Pharmaceutical Sciences, University of California, 92697 Irvine, CA, United States 
f Department of Biomedical Engineering, University of California, 92697 Irvine, CA, United States 

Correspondence to: College of Pharmacy, Gachon University, 191 Hambakmoe-ro, Yeonsu-gu, 21936 Incheon, South Korea.College of Pharmacy, Gachon University191 Hambakmoe-ro, Yeonsu-guIncheon21936South Korea

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Abstract

Glioblastoma multiforme (GBM) is a grade IV malignant brain tumor with a median survival time of approximately 12–16 months. Because of its highly aggressive and heterogeneous nature it is very difficult to remove by surgical resection. Herein we have reported dual stimuli-responsive and biodegradable in situ hydrogels of oligosulfamethazine-grafted gelatin and loaded with anticancer drug paclitaxel (PTX) for preventing the progress of Glioblastoma. The oligosulfamethazine (OSM) introduced to the gelatin backbone for the formation of definite and stable in situ hydrogel. The hydrogels transformed from a sol to a gel state upon changes in stimuli. pH and temperature and retained a distinct shape after subcutaneous administration in BALB/c mice. The viscosity of the sol state hydrogels was tuned by varying the feed molar ratio between gelatin and OSM. The porosity of the hydrogels was confirmed to be lower in higher degree OSM by SEM. Sustained release of PTX from hydrogels in physiological environments (pH 7.4) was further retarded up to 63% in 9th days in tumor environments (pH 6.5). While the empty hydrogels were non-toxic in cultured cells, the hydrogels loaded with PTX showed antitumor efficacy in orthotopic-GBM xenograft mice. Collectively, the gelatin-OSM formed porous hydrogels and released the cargo in a sustained manner in tumor environments efficiently suppressing the progress of GBM. Thus, gelatin-OSM hydrogels are a potential candidate for the direct delivery of therapeutics to the local areas in brain diseases.

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Graphical Abstract




ga1

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Highlights

Gelatin–OSM conjugate was pH specific convert sol-gel in in vivo condition.
Gelatin-OSM conjugates suitable for sustained release of PTX in tumor environment.
Gelatin-OSM hydrogels were biocompatible, biodegradable and applicable to in vivo.
PTX-loaded gelatin-OSM enhance cellular cytotoxicity with better antitumor efficacy.

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Keywords : Glioblastoma multiforme (GBM), Gelatin, Stimuli responsive, Paclitaxel, Drug delivery systems


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Vol 143

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