Impalcatura composita collagene-chitosano caricata di doxiciclina per la guarigione accelerata delle ferite diabetiche
Summary
L’impalcatura DOX-CL preparata soddisfaceva i prerequisiti di una medicazione DW ideale in resistenza meccanica, porosità, assorbimento dell’acqua, tasso di degradazione, rilascio prolungato, proprietà antibatteriche, biocompatibilità e antinfiammatorie, che sono considerate essenziali per il recupero del tessuto danneggiato nei DW.
Abstract
Una delle principali complicanze del diabete mellito sono le ferite diabetiche (DW). La fase prolungata dell’infiammazione del diabete ostruisce le ulteriori fasi di una lesione che porta a una guarigione ritardata delle ferite. Abbiamo selezionato la doxciclina (DOX), come potenziale farmaco preferito, grazie alle sue proprietà antibatteriche insieme alle sue proprietà antinfiammatorie riportate. L’attuale studio mira a formulare impalcature dox caricate collagene-chitosano non retiche (NCL) e retille (CL) e valutare la loro capacità curativa in condizioni diabetiche. Il risultato della caratterizzazione delle impalcature rivela che l’impalcatura DOX-CL ha una porosità ideale, un basso tasso di gonfiore e degradazione e un rilascio prolungato di DOX rispetto all’impalcatura DOX-NCL. Gli studi in vitro rivelano che l’impalcatura DOX-CL era biocompatibile e ha migliorato la crescita cellulare rispetto ai gruppi di impalcatura e controllo CL. Gli studi antibatterici hanno dimostrato che l’impalcatura DOX-CL era più efficace dell’impalcatura CL contro i batteri più comuni trovati in DW. Utilizzando il modello di DW indotto dalla dieta streptozotocina e ad alto contenuto di grassi, è stato osservato un tasso significativamente (p≤0,05) più veloce di contrazione della ferita nel gruppo trattato con impalcature DOX-CL rispetto a quelli nei gruppi di impalcatura e controllo CL. L’uso dell’impalcatura DOX-CL può rivelarsi un approccio promettente per il trattamento locale per le DW.
Introduction
Il diabete mellito (DM) è una condizione in cui l’incapacità del corpo di fornire insulina o reagire ai suoi esiti nella digestione anomala di zuccheri semplici porta a un aumento della glicemia 1. L’intreccio più consecutivo e schiacciante del DM è la ferita diabetica (DW). Circa il 25% dei pazienti con DM ha l’opportunità di costruire un DW nella loro vita 1. La guarigione ostacolata della DW è accreditata a una triopatia di DM: immunopatia, vasculopatia e neuropatia. Ogni volta che la DW non viene trattata, può provocare lo sviluppo della cancrena, provocando quindi la rimozione dell’organo interessato 2.
Molti trattamenti, come istruire i pazienti (ispezionare la ferita ogni giorno, pulire la ferita, evitare attività che creano pressione sulla ferita, monitoraggio periodico del glucosio, ecc.), controllare la glicemia, debridement delle ferite, scarico della pressione, procedura medica, ossigenoterapia iperbarica e terapie avanzate sono in pratica 3,4. La maggior parte di questi farmaci non affronta tutti i prerequisiti vitali per la cura della DW alla luce delle condizioni patofisiotiche multifattoriali e delle spese impreviste relative a questi farmaci 5. Anche se la patogenesi DW è multifattoriale, l’infiammazione persistente con gestione inappropriata dei tessuti è dichiarata come la vera ragione della guarigione ritardata in DWs 5,6.
I livelli aumentati di mediatori infiammatori e pro-infiammatori in DW si traducono in una diminuzione dei fattori di crescita responsabili della guarigione ritardata delle ferite 2,6. La formazione impropria di matrice extracellulare (ECM) nelle DW è accreditata per l’aumento dei livelli di metalloproteinasi matriciali (MMP) responsabili della rapida degradazione dell’ECM formato. Negli MMP, MMP-9 è segnalato come uno dei principali intermediari responsabili dell’infiammazione prolungata e della rapida degradazione dell’ECM 7. Si afferma che il trattamento locale con un farmaco antinfiammatorio che diminuisce i livelli elevati di MMP-9 rieche stabilisce l’omeostasi cutanea, la disposizione del quadro e richiede una migliore guarigione dei DWs 8,9.
La doxiciclina (DOX), un inibitore dell’MMP-9, è stata scelta per sopprimere i livelli elevati di MMP-9, un importante mediatore infiammatorio responsabile dell’infiammazione persistente in DWs 10,11,12. Inoltre, dox possiede antiossidanti (producono radicali idrossi e fenossidici liberi in grado di legarsi con specie reattive dell’ossigeno) 13 e anti-apoptotico (inibire l’espressione della caspasi e la stabilizzazione mitocondriale) 14 attività essenziali per il trattamento della DW. È stata scelta la disposizione di quadri contenenti DOX, collagene (COL) e chitosano (CS). La scelta del COL dipende dal modo in cui aiuta a fornire il quadro necessario responsabile della resistenza meccanica e della rigenerazione tissutale 15. D’altra parte, CS è strutturalmente omologo al glicosaminoglicano, associato a diverse fasi di guarigione delle ferite. È anche riportato che CS detiene una significativa proprietà antibatterica 15. Pertanto, l’impalcatura COL / CS di DOX è formulata per sopprimere l’infiammazione prolungata, seguita dal supporto della formazione della matrice per una guarigione efficace delle ferite in condizioni di DM.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’obiettivo principale di questo studio era determinare l’effetto dell’impalcatura COL-CS caricata da DOX sulla guarigione della DW nei ratti. CL e NCL sono stati preparati e valutati in termini di morfologia, indice di gonfiore, cinetica di rilascio in vitro e biocompatibilità.
Caratterizzazione dell’impalcatura NCL e CL caricata da DOX
Le impalcature preparate sono state trovate porose con pori interconnessi. Questi pori interconnessi assicurano la natura porosa e spugno…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano il Dr. Ashish D Wadhwani. (Professore assistente e capo, Dipartimento di biotecnologie farmaceutiche, JSS College of Pharmacy, Ooty, India) per l’assistenza negli studi di vitalità cellulare in vitro.
Gli autori ringraziano il Dipartimento di Scienza e Tecnologia – Fondo per il miglioramento delle infrastrutture scientifiche e tecnologiche nelle università e nelle istituzioni educative superiori (DST-FIST), Nuova Delhi, per aver supportato il nostro dipartimento.
Gli autori ringraziano anche il Sig. Sanju. S e il signor Sriram. Narukulla M. Pharm studenti per il loro supporto nelle riprese video.
Questa ricerca è stata supportata dalla JSS Academy of Higher Education & Research (JSSAHER).
Materials
| 1-ethyl-(3-3-dimethyl aminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) | Merck Millipore, Mumbai, India | E7750 | |
| 2-(N-morpholino) ethane sulfonic acid (MES) | Merck Millipore, Mumbai, India | 137074 | |
| 3-(4, 5 dimethyl thiazole-2 yl) -2, 5-diphenyl tetrazolium bromide (MTT) | Thermo Fisher, Mumbai, India | M6494 | |
| Deep freezer verticle | Labline Instruments, Kochi, India | ||
| Dialysis sack | Merck Millipore, Mumbai, India | D6191-Avg. flat width 25 mm (1.0 in.), MWCO 12,000 Da | |
| Doxycycline | Sigma chemicals Co. Ltd, Mumbai, India | D9891 | |
| Elisa kit | R&D Systems | RMP900 | |
| Escherichia coli (E. coli) | National Collection of Industrial Microorganisms, Pune, India | NCIM 2567 | |
| Ethanol | Merck Millipore, Mumbai, India | 100983 | |
| Lyophilizer-SZ042 | Sub-Zero lab instruments, Chennai, India | ||
| Mechanical Stirrer-RQ-122/D | Remi laboratory instruments, Mumbai, India | ||
| Medium molecular weight Chitosan | Sisco Research Laboratories Pvt. Ltd., Mumbai, India | 18824 | |
| Microtome-RM2135 | Leica, U.K | ||
| Mouse embryonic fibroblast cells (3T3-L1) | National Centre for Cell Sciences, Pune, India | ||
| Multiple plate reader -Inifinte M200 Pro | Tecan Instruments, Switzerland | ||
| N-hydroxy succinimide (NHS) | Sigma chemicals Co. Ltd, Mumbai, India | 130672 | |
| Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) | National Collection of Industrial Microorganisms, Pune, India | NCIM 2036 | |
| Scanning Electron Microscopy (SEM)-S-4800 | Hitachi, India | ||
| Sodium hydroxide (NaOH) pellets | Qualigen fine chemicals, Mumbai, India | Q27815 | |
| Staphylococcus aureus (S. aureus) | National Collection of Industrial Microorganisms, Pune, India | NCIM 5022 | |
| Staphylococcus epidermis (S. epidermis) | National Collection of Industrial Microorganisms, Pune, India | NCIM 5270 | |
| Streptozotocin (STZ) | Sisco Research Laboratories Pvt. Ltd., Mumbai, India | 14653 | |
| Type-1 rat Collagen | Sigma chemicals Co. Ltd, Mumbai, India | C7661 | |
| Ultraviolet–visible spectroscopy-1700 | Shimadzu |
References
- . IDF Diabetes Atlas, 9th edn Available from: https://www.diabetesatlas.org (2019)
- Falanga, V. Wound healing and its impairment in the diabetic foot. The Lancet. 366 (9498), 1736-1743 (2005).
- Frykberg, R. G., Banks, J. Challenges in the treatment of chronic wounds. Advances in Wound Care. 4 (9), 560-582 (2015).
- Alexiadou, K., Doupis, J. Management of diabetic foot ulcers. Diabetes Therapy. 3 (1), 1-15 (2012).
- Karri, V. V. S. R., et al. Current and emerging therapies in the management of diabetic foot ulcers. Current Medical Research and Opinion. 32 (3), 519-542 (2016).
- Sanapalli, B. K., et al. Human beta defensins may be a multifactorial modulator in the management of diabetic wound. Wound Repair and Regeneration. 28 (3), 416-421 (2020).
- Caley, M. P., Martins, V. L., O’Toole, E. A. Metalloproteinases and wound healing. Advances in Wound Care. 4 (4), 225-234 (2015).
- Reiss, M. J., et al. Matrix metalloproteinase-9 delays wound healing in a murine wound model. Surgery. 147 (2), 295-302 (2010).
- Gill, S. E., Parks, W. C. Metalloproteinases and their inhibitors: regulators of wound healing. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology. 40 (6-7), 1334-1347 (2008).
- Stechmiller, J., Cowan, L., Schultz, G. The role of doxycycline as a matrix metalloproteinase inhibitor for the treatment of chronic wounds. Biological Research for Nursing. 11 (4), 336-344 (2010).
- Griffin, M. O., Fricovsky, E., Ceballos, G., Villarreal, F. Tetracyclines: a pleitropic family of compounds with promising therapeutic properties. Review of the literature. American Journal of Physiology-Cell Physiology. 299 (3), 539-548 (2010).
- Burns, F., Stack, M., Gray, R., Paterson, C. Inhibition of purified collagenase from alkali-burned rabbit corneas. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 30 (7), 1569-1575 (1989).
- Kraus, R. L., et al. Antioxidant properties of minocycline: neuroprotection in an oxidative stress assay and direct radical-scavenging activity. Journal of Neurochemistry. 94 (3), 819-827 (2005).
- Yrjänheikki, J., Keinänen, R., Pellikka, M., Hökfelt, T., Koistinaho, J. Tetracyclines inhibit microglial activation and are neuroprotective in global brain ischemia. Proceedings of the National Academy of Sciences. 95 (26), 15769-15774 (1998).
- Moura, L. I., Dias, A. M., Carvalho, E., de Sousa, H. C. Recent advances on the development of wound dressings for diabetic foot ulcer treatment-a review. Acta Biomaterialia. 9 (7), 7093-7114 (2013).
- Natarajan, J., et al. Nanostructured Lipid Carriers of Pioglitazone Loaded Collagen/Chitosan Composite Scaffold for Diabetic Wound Healing. Advances in Wound Care. 8 (10), 499-513 (2019).
- Karri, V. V. S. R., et al. Curcumin loaded chitosan nanoparticles impregnated into collagen-alginate scaffolds for diabetic wound healing. International Journal Of Biological Macromolecules. 93, 1519-1529 (2016).
- Hsieh, W. -. C., Chang, C. -. P., Lin, S. -. M. Morphology and characterization of 3D micro-porous structured chitosan scaffolds for tissue engineering. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 57 (2), 250-255 (2007).
- Xie, Y., Chen, J., Xiao, A., Liu, L. Antibacterial activity of polyphenols: structure-activity relationship and influence of hyperglycemic condition. Molecules. 22 (1913), 1-11 (2017).
- Geerlings, S. E., Brouwer, E. C., Gaastra, W., Verhoef, J., Hoepelman, A. I. Effect of glucose and pH on uropathogenic and non-uropathogenic Escherichia coli: studies with urine from diabetic and non-diabetic individuals. Journal of Medical Microbiology. 48 (6), 535-539 (1999).
- Eloff, J. N. A sensitive and quick microplate method to determine the minimal inhibitory concentration of plant extracts for bacteria. Planta Medica. 64 (8), 711-713 (1998).
- Reddy, G. K., Enwemeka, C. S. A simplified method for the analysis of hydroxyproline in biological tissues. Clinical Biochemistry. 29 (3), 225-229 (1996).
- Charulatha, V., Rajaram, A. Influence of different crosslinking treatments on the physical properties of collagen membranes. Biomaterials. 24 (5), 759-767 (2003).
- Rehakova, M., Bakoš, D., Vizarova, K., Soldán, M., Jurícková, M. Properties of collagen and hyaluronic acid composite materials and their modification by chemical crosslinking. Journal of Biomedical Materials Research: An Official Journal of The Society for Biomaterials and The Japanese Society for Biomaterials. 30 (3), 369-372 (1996).
- Chang, M. -. Y., et al. Doxycycline enhances survival and self-renewal of human pluripotent stem cells. Stem Cell Reports. 3 (2), 353-364 (2014).
- Dovi, J. V., He, L. K., DiPietro, L. A. Accelerated wound closure in neutrophil-depleted mice. Journal of Leukocyte Biology. 73 (4), 448-455 (2003).
- Lindeman, J. H., Abdul-Hussien, H., van Bockel, J. H., Wolterbeek, R., Kleemann, R. Clinical Perspective. Circulation. 119 (16), 2209-2216 (2009).
- Zhang, C., Gong, W., Liu, H., Guo, Z., Ge, S. Inhibition of matrix metalloproteinase-9 with low-dose doxycycline reduces acute lung injury induced by cardiopulmonary bypass. International Journal Of Clinical And Experimental Medicine. 7 (12), 4975-4982 (2014).
