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Effect of sequential release of sirolimus and rosuvastatin using silk fibroin microneedle to prevent intimal hyperplasia - 11/11/23

Doi : 10.1016/j.biopha.2023.115702 
Eui Hwa Jang a, 1, Ji-yeon Ryu a, 1, Jung-Hwan Kim a, JiYong Lee b, c, WonHyoung Ryu b, Young-Nam Youn a,
a Division of Cardiovascular Surgery, Severance Cardiovascular Hospital, Yonsei University College of Medicine, Seoul 03722, South Korea 
b School of Mechanical Engineering, Yonsei University, Seoul 03722, South Korea 
c Department of Mechanical Engineering, University of Minnesota, Minneapolis, MN 55455, USA 

Corresponding author.

Abstract

Intimal hyperplasia (IH) is a major cause of vascular restenosis after bypass surgery, which progresses as a series of processes from the acute to chronic stage in response to endothelial damage during bypass grafting. A strategic localized drug delivery system that reflects the pathophysiology of IH and minimizes systemic side effects is necessary. In this study, the sequential release of sirolimus, a mechanistic target of rapamycin (mTOR) inhibitor, and statin, an HMG-COA inhibitor, was realized as a silk fibroin-based microneedle device in vivo. The released sirolimus in the acute stage reduced neointima (NI) and vascular fibrosis through mTOR inhibition. Furthermore, rosuvastatin, which was continuously released from the acute to chronic stage, reduced vascular stiffness and apoptosis through the inactivation of Yes-associated protein (YAP). The sequential release of sirolimus and rosuvastatin confirmed the synergistic treatment effects on vascular inflammation, VSMC proliferation, and ECM degradation remodeling through the inhibition of transforming growth factor (TGF)-beta/NF-κB pathway. These results demonstrate the therapeutic effect on preventing restenosis with sufficient vascular elasticity and significantly reduced IH in response to endothelial damage. Therefore, this study suggests a promising strategy for treating coronary artery disease through localized drug delivery of customized drug combinations.

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Graphical Abstract




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Highlights

Sequential release of sirolimus and rosuvastatin as a silk-fibroin microneedle device.
Drug released via external vascular device suitably absorbed into localized lesion.
Perivascular device is promising intensive drug delivery to the lesion.
Strategy to prevent IH through the understanding of key signaling pathways at each stage.
The safety of drug toxicity by delivering the drug to the target lesion rather than by systemic diffusion.

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Abbreviations : DDS, ECM, HMG-CoA, IH, mTOR, MN, NI, NF-κB, TNF-α, TGF-β, VSMC, YAP

Keywords : Intimal hyperplasia, Bypass surgery, Microneedle, Silk fibroin, Localized drug delivery


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Vol 168

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