Nanoparticles release from µ-Beads for the treatment of liver fibrosis

Liver fibrosis is a chronic condition characterised by excessive deposition of extracellular matrix in the liver leading to organ dysfunction and, ultimately, cirrhosis. Current treatments are limited to preventing further damage rather than reversing fibrosis, highlighting the need for new therapeutic approaches. In this context, extracellular vesicles (EVs) have emerged as promising biological nanoparticles capable of mediating antifibrotic and regenerative eOects trough the transfer of bioactive molecules between cells. However, when administered directly, EVs present challenges related to the control of their local concentration and residence time at the site of delivery. To address these limitations, this work aimed to develop an alginate-based microparticle system capable of encapsulating and releasing EVs in a controlled and sustained manner. The proposed platform provides a biocompatible environment for vesicle protection and enables prolonged local availability following intraperitoneal administration. The project was conducted at the Luciani research group (university of Bern, Switzerland) as a part of a broader eOort to design delivery systems for EV-based therapies targeting liver fibrosis. Alginate microbeads were produced by extruding a bioink composed of sodium alginate and calcium carbonate (CaCO3) crystals, which act as porogens. Following acid treatment, the dissolution of CaCO3 generated a porous structure suitable for EV loading. The encapsulation and release processes were quantitatively monitored using fluorescently labelled EVs. Optimisation studies demonstrated that increasing the CaCO3 concentration enhanced microbead porosity, resulting in higher EV uptake and more sustained release. The best-performing formulations (120-200 mg/mL CaCO3) achieved up to 70% cumulative release over 120 h in peritoneal simulated fluid. Rheological characterisation of the bioink confirmed shear-thinning behaviour and printability, enabling controlled fabrication of microbeads via extrusion and 3D bioprinting using an electromagnetic droplet (EMD) printhead. The printed microbeads displayed uniform morphology and injectable dimension (<1 mm), supporting their potential for local intraperitoneal administration. Overall, this project established a proof of concept for the encapsulation and controlled release of EVs from alginate-based microbeads as a prospective therapeutic strategy or liver fibrosis. These findings provide a foundation for future optimisation, sterile production and in vivo validation of this bioinspired delivery platform.

La fibrosi epatica è una condizione cronica caratterizzata da un’eccessiva deposizione di matrice extracellulare nel fegato, che porta a una progressiva compromissione della funzione dell’organo fino alla cirrosi. I trattamenti attualmente disponibili mirano principalmente a prevenire l’aggravamento della malattia, senza tuttavia invertirne il decorso, evidenziando la necessità di nuovi approcci terapeutici. In questo contesto, le vescicole extracellulari (extracellular vesicles, EV) sono emerse come promettenti nanoparticelle biologiche in grado di mediare eOetti antifibrotici e rigenerativi attraverso il trasferimento di molecole bioattive tra le cellule. Tuttavia, quando somministrate direttamente, le EV presentano diOicoltà legate al controllo della loro concentrazione locale e del tempo di permanenza nel sito di somministrazione. L’obiettivo di questo lavoro, per superare tali limitazioni, è stato lo sviluppo di un sistema a base di microparticelle di alginato in grado di incapsulare e rilasciare le EV in modo controllato e prolungato nel tempo. La piattaforma proposta fornisce un ambiente biocompatibile per la protezione delle vescicole e consente di prolungarne la disponibilità locale in seguito a somministrazione intraperitoneale. Il progetto è stato svolto presso il Luciani Research Group (Università di Berna, Svizzera) come parte di un più ampio progetto di ricerca volto alla progettazione di sistemi di rilascio per terapie basate su EV contro la fibrosi epatica. Le microbeads di alginato sono state prodotte per estrusione di un bioinchiostro costituito da alginato di sodio e cristalli di carbonato di calcio (CaCO3), che agiscono come porogeni. Dopo trattamento acido, la dissoluzione del CaCO3 ha generato una struttura porosa idonea all’incapsulamento delle EV. I processi di incorporazione e rilascio sono stati monitorati quantitativamente utilizzando EV marcate con sonde fluorescenti. Gli studi di ottimizzazione hanno mostrato che l’aumento della concentrazione di CaCO3 incrementa la porosità delle microbeads, migliorando l’assorbimento e il rilascio prolungato delle EV. Le formulazioni migliori (120-200 mg/mL di CaCO3) hanno raggiunto un rilascio cumulativo fino al 70% in 120 ore in fluido peritoneale simulato. La caratterizzazione reologica del bioinchiostro ha confermato un comportamento shear-thinning e la sua idoneità alla stampa 3D, consentendo la produzione controllata delle microbeads mediante estrusione e bioprinting con testina elettromagnetica (EMD). Le microbeads stampate hanno mostrato morfologia uniforme e dimensioni inferiori a 1 mm, caratteristiche che ne supportano la potenziale iniettabilità nel peritoneo per una somministrazione locale. Complessivamente, questo lavoro è stato uno studio di fattabilità per l’incapsulamento e il rilascio controllato di EV da microbeads di alginato come strategia terapeutica per la fibrosi epatica. I risultati ottenuti pongono le basi per futuri studi di ottimizzazione, produzione sterile e validazione in vivo di questa piattaforma bioispirata di rilascio controllato.