DOI: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2025.113817
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40339660
تاريخ النشر: 2025-05-06
المؤلف: Sylvia N. Kłodzińska وآخرون
الموضوع الرئيسي: الببتيدات المضادة للميكروبات والأنشطة
نظرة عامة
تدرس الدراسة استخدام هلامات النانو المعدلة بحمض الهيالورونيك مع أنهدريد السكسينيك أوكتيني (HA-OSA) كنظام توصيل دوائي للببتيد المضاد للميكروبات LL37، بهدف تعزيز حركيته الدوائية وملف سلامته عند إعطائه للرئتين. تعتبر الببتيدات المضادة للميكروبات مثل LL37 ضرورية لمكافحة العدوى البكتيرية ولكنها تواجه قيودًا بسبب التحلل السريع والسمية المحتملة. قام الباحثون بتوسيم LL37 وHA-OSA بالإشعاع لتتبع غير جراحي في الفئران، وكشفوا أن LL37 غير المكون تم التخلص منه من الرئتين بمعدل يقارب 85% خلال 48 ساعة. بالمقابل، أدى احتواء LL37 في هلامات النانو HA-OSA إلى تحسين الاحتفاظ في الرئتين بنسبة 36% وتقليل تراكم الببتيد في الأعضاء الإخراجية، مما يقلل من سمية الكبد والكلى.
تشير النتائج إلى أن هلامات النانو HA-OSA تعزز بشكل كبير توصيل LL37 إلى الرئتين، مما يجعلها استراتيجية واعدة لعلاج العدوى البكتيرية الرئوية، خاصة في حالات مثل التليف الكيسي حيث تكون مستويات LL37 الذاتية منخفضة. تبرز الدراسة إمكانيات أنظمة هلامات النانو لتوصيل الببتيدات المضادة للميكروبات، مشيرة إلى أنه بينما تم استكشاف مثل هذه الأنظمة لتطبيقات أخرى، فإن استخدامها في العلاجات المضادة للميكروبات لا يزال جديدًا نسبيًا. تدعم التوافق الحيوي وقابلية التحلل الحيوي لهيكل حمض الهيالورونيك جدوى هذا النهج. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن احتواء LL37 في هلامات النانو HA-OSA قد يؤدي إلى تحسين النتائج العلاجية في العدوى الرئوية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحدي الكبير الذي تطرحه البكتيريا المقاومة لمضادات الميكروبات، وخاصة الزائفة الزنجارية، في الالتهاب الرئوي المرتبط بالرعاية الصحية والتليف الكيسي، مما يؤدي إلى زيادة المراضة والوفيات. تؤكد الأبحاث على إمكانيات الببتيدات المضادة للميكروبات (AMPs)، وخاصة LL37، التي تظهر خصائص مضادة للبكتيريا ومعدلة للمناعة. يتم إنتاج LL37 بواسطة خلايا الظهارة البشرية، ويلعب دورًا حاسمًا في الدفاع ضد مسببات الأمراض ولكنه يواجه انخفاضًا في الفعالية في التليف الكيسي بسبب التفاعلات مع مكونات سائل الرئة والتحلل البروتيني.
تقترح الدراسة الإدارة الخارجية لـ LL37 كاستراتيجية علاجية للعدوى الرئوية، مشيرة إلى أن طرق التوصيل الوريدي الحالية تؤدي إلى التخلص السريع من الرئتين. لتعزيز الاحتفاظ والفعالية لـ LL37، تستكشف الأبحاث استخدام هلامات النانو المعدلة بحمض الهيالورونيك (HA-OSA) كنظام توصيل. من المتوقع أن تحسن هذه الهلامات من التوافر الحيوي لـ LL37 مع تقليل السمية. سيتم تقييم حركية LL37 الحرة وLL37 المحتواة في هلامات النانو HA-OSA من خلال التوسيم الإشعاعي وتقنيات التصوير المتقدمة، بهدف إظهار زيادة الاحتفاظ في الرئتين وتقليل التعرض غير المستهدف.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في أبحاثهم. تشمل المواد الرئيسية حمض الهيالورونيك (HyaCare، 50 كيلودالتون) المأخوذ من Evonik Nutrition & Care، كلوريد الإنديوم-111 (111InCl3) من MDS Nordion، وسيتريت الغاليوم-67 من Isologic Innovative Radiopharmaceuticals. تم الحصول على الببتيد المضاد للميكروبات AMP LL37، الذي تزيد نقاوته عن 98%، من Schafer-N ApS. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على الخالب 2-S-(4-isوثيوسياناتوبنزيل)-1،4،7-ترايازاسيكلونون-1،4،7-ثلاثي حمض الأسيتيك (p-SCN-Bn-NOTA) من Macrocyclics.
يسرد القسم أيضًا مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية المستخدمة في إعداد وتحليل هلام البوليمر، والتي تم الحصول عليها بشكل أساسي من مختبرات Bio-Rad وSigma Aldrich. تشمل هذه المواد أنهدريد السكسينيك أوكتيني (OSA)، بيكربونات الصوديوم، والعديد من العواصف والأحماض الأساسية للإجراءات التجريبية. تم الحصول على المذيبات ذات الدرجة التحليلية لكروماتوغرافيا السائل عالية الأداء (HPLC) من Merck، وتم إنتاج المياه فائقة النقاء باستخدام جهاز PURELAB® flex 4. يبرز هذا الجرد الشامل للمواد صرامة وخصوصية الإعداد التجريبي المستخدم في الدراسة.
نتائج
يقدم قسم النتائج findings الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مع اختبارات إحصائية تشير إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر البيانات اتجاهًا واضحًا في الظواهر الملاحظة، مما يدعم الفرضيات الأولية المطروحة في البحث.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة آثار هذه النتائج، موضحة سياقها ضمن الأدبيات الموجودة. لا تساهم النتائج فقط في فهم الموضوع، بل تشير أيضًا إلى طرق محتملة للبحث المستقبلي. يؤكد المؤلفون على أهمية هذه النتائج في تعزيز الأطر النظرية والتطبيقات العملية في المجال المعني.
مناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون تخليق وتوصيف حمض الهيالورونيك المعدل (HA) ومشتقاته، مع التركيز بشكل خاص على اقتران حمض ثنائي إيثيلين ثلاثي الأسيتيك (DTPA) وأنهدريد السكسينيك أوكتيني (OSA) لتشكيل DTPA-HA وDTPA-HA-OSA. تضمنت عملية التعديل تنشيط مجموعات الكربوكسيل في HA ومن ثم تنقية المركبات الناتجة من خلال الترشيح الفائق. تم استخدام مطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR) لتأكيد التعديلات الناجحة وحساب درجة استبدال OSA على HA. تصف الدراسة أيضًا إعداد التركيبات الموسومة إشعاعيًا، بما في ذلك 111In-HA-OSA و67Ga-LL37، مع تسليط الضوء على كفاءات التوسيم الإشعاعي العالية والثبات، كما تم تأكيده من خلال كروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة الفورية (ITLC) وتحليل SDS-PAGE.
تم تقييم التوزيع الحيوي لهذه التركيبات في الجسم الحي باستخدام تصوير SPECT/CT في نموذج فئران. أشارت النتائج إلى أن احتواء LL37 في هلامات النانو DTPA-HA-OSA عزز بشكل كبير احتفاظه في الرئتين مقارنة بـ LL37 غير المكون، مع زيادة بنسبة 36% في الاحتفاظ في الرئتين بعد 48 ساعة. كما لاحظت الدراسة أن الهلامات أظهرت معدلات إزالة أبطأ من التركيبات السابقة لـ HA، على الأرجح بسبب التأثيرات الواقية لتعديل OSA ضد التحلل الإنزيمي. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن هلامات النانو DTPA-HA-OSA هي ناقلات واعدة لتوصيل الببتيدات، مما يعزز الاحتفاظ والثبات في التطبيقات الرئوية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2025.113817
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40339660
Publication Date: 2025-05-06
Author(s): Sylvia N. Kłodzińska et al.
Primary Topic: Antimicrobial Peptides and Activities
Overview
The study investigates the use of hyaluronic acid modified with octenyl succinic anhydride (HA-OSA) nanogels as a drug delivery system for the antimicrobial peptide LL37, aiming to enhance its pharmacokinetics and safety profile when administered to the lungs. Antimicrobial peptides like LL37 are crucial for combating bacterial infections but face limitations due to rapid degradation and potential toxicity. The researchers radiolabeled LL37 and HA-OSA for non-invasive tracking in mice, revealing that non-formulated LL37 was cleared from the lungs at a rate of approximately 85% within 48 hours. In contrast, encapsulating LL37 in HA-OSA nanogels improved lung retention by 36% and reduced the accumulation of the peptide in excretory organs, thereby minimizing liver and kidney toxicity.
The findings suggest that HA-OSA nanogels significantly enhance the pulmonary delivery of LL37, making it a promising strategy for treating pulmonary bacterial infections, particularly in conditions like cystic fibrosis where endogenous LL37 levels are low. The study highlights the potential of nanogel systems for antimicrobial peptide delivery, noting that while such systems have been explored for other applications, their use in antimicrobial therapies remains relatively novel. The biocompatibility and biodegradability of the hyaluronic acid backbone further support the feasibility of this approach. Overall, the results indicate that encapsulating LL37 in HA-OSA nanogels could lead to improved therapeutic outcomes in lung infections.
Introduction
The introduction highlights the significant challenge posed by multi-drug resistant bacteria, particularly Pseudomonas aeruginosa, in healthcare-associated pneumonia and cystic fibrosis, leading to increased morbidity and mortality. The research emphasizes the potential of antimicrobial peptides (AMPs), specifically LL37, which exhibit antibacterial and immunomodulatory properties. LL37, produced by human epithelial cells, plays a crucial role in pathogen defense but faces reduced efficacy in cystic fibrosis due to interactions with lung fluid components and proteolytic degradation.
The study proposes the exogenous administration of LL37 as a therapeutic strategy for pulmonary infections, noting that current intravenous delivery methods result in rapid clearance from the lungs. To enhance the retention and efficacy of LL37, the research explores the use of hyaluronic acid-modified nanogels (HA-OSA) as a delivery system. These nanogels are expected to improve the bioavailability of LL37 while minimizing toxicity. The pharmacokinetics of both free LL37 and LL37 encapsulated in HA-OSA nanogels will be assessed through radiolabeling and advanced imaging techniques, aiming to demonstrate increased retention in the lungs and reduced off-target exposure.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized in their research. Key materials include hyaluronic acid (HyaCare, 50 kDa) sourced from Evonik Nutrition & Care, Indium-111 chloride (111InCl3) from MDS Nordion, and clinical-grade gallium-67 citrate from Isologic Innovative Radiopharmaceuticals. The antimicrobial peptide AMP LL37, with a purity greater than 98%, was procured from Schafer-N ApS. Additionally, the chelator 2-S-(4-isothiocyanatobenzyl)-1,4,7-triazacyclononane-1,4,7-triacetic acid (p-SCN-Bn-NOTA) was obtained from Macrocyclics.
The section also lists various reagents used for polyacrylamide gel preparation and analysis, primarily sourced from Bio-Rad Laboratories and Sigma Aldrich. These include octenyl succinic anhydride (OSA), sodium bicarbonate, and several buffers and acids essential for the experimental procedures. Analytical-grade solvents for high-performance liquid chromatography (HPLC) were acquired from Merck, and ultrapure water was produced using a PURELAB® flex 4 machine. This comprehensive inventory of materials underscores the rigor and specificity of the experimental setup employed in the study.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the data demonstrate a clear trend in the observed phenomena, supporting the initial hypotheses posited in the research.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, contextualizing them within the existing literature. The results not only contribute to the understanding of the subject matter but also suggest potential avenues for future research. The authors emphasize the importance of these findings in advancing theoretical frameworks and practical applications in the relevant field.
Discussion
In this section, the authors detail the synthesis and characterization of modified hyaluronic acid (HA) and its derivatives, specifically focusing on the conjugation of diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA) and octenyl succinic anhydride (OSA) to form DTPA-HA and DTPA-HA-OSA. The modification process involved activating HA’s carboxyl groups and subsequently purifying the resulting conjugates through ultrafiltration. NMR spectroscopy was employed to confirm the successful modifications and to calculate the degree of substitution of OSA on HA. The study also describes the preparation of radiolabeled constructs, including 111In-HA-OSA and 67Ga-LL37, highlighting their high radiolabeling efficiencies and stability, as confirmed by instant thin layer chromatography (ITLC) and SDS-PAGE analysis.
The in vivo biodistribution of these formulations was assessed using SPECT/CT imaging in a murine model. The results indicated that encapsulating LL37 in DTPA-HA-OSA nanogels significantly enhanced its retention in the lungs compared to non-formulated LL37, with a 36% increase in lung retention after 48 hours. The study also noted that the nanogels exhibited slower clearance rates than previously reported HA formulations, likely due to the protective effects of OSA modification against enzymatic degradation. Overall, the findings suggest that the DTPA-HA-OSA nanogels are promising carriers for peptide delivery, enhancing retention and stability in pulmonary applications.