DOI: https://doi.org/10.1002/adhm.202302074
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38499190
تاريخ النشر: 2024-03-18
المؤلف: Flavia Fontana وآخرون
الموضوع الرئيسي: تصلب الشرايين وأمراض القلب والأوعية الدموية
نظرة عامة
تركز الأبحاث على تطوير جزيئات نانوية تحاكي الطبيعة (NPs) للتوصيل المستهدف للكركمين، وهو عامل مضاد للالتهابات، بهدف معالجة تصلب الشرايين، وهو سبب رئيسي لأمراض القلب والأوعية الدموية. تم بناء الجزيئات النانوية باستخدام اللجنين، وهو بوليمر حيوي، وتم تعديلها بمركب حمض التانيك-حديد (TA-Fe)، تليها تغليفها بقطع من أغشية الخلايا المشتقة من الصفائح الدموية. يعزز هذا التصميم تفاعل الجزيئات النانوية مع خلايا البطانة وخلايا البلعميات تحت كل من الظروف الطبيعية والالتهابية. تظهر الدراسة أن هذه الجزيئات النانوية متوافقة مع الخلايا ولا تحفز النشاط المناعي، بينما تقلل بشكل فعال من تعبير علامات الالتهاب مثل Nf-κB وTGF-β1 وIL-6 وIL-1β في خلايا البطانة الملتهبة بواسطة الليبوبوليسكاريد (LPS).
تشير النتائج إلى أن الجزيئات النانوية تظهر ملف إطلاق مستقر، مع إطلاق مفاجئ يصل إلى 75% من الكركمين خلال الساعتين الأوليين عند درجة حموضة فسيولوجية، تليها إطلاق مستمر. تعزز التعديلات السطحية بشكل كبير تفاعلات الجزيئات النانوية مع الخلايا، وهو أمر حاسم لفعاليتها في استهداف الأنسجة الملتهبة. بشكل عام، تقدم الدراسة هذه الجزيئات النانوية كمرشحين واعدين للعلاج المستهدف المضاد للالتهابات لتصلب الشرايين، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من التحقيق لتوضيح آليات عملها وتقييم قابليتها للاستخدام في الجسم الحي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على العبء الصحي العالمي الكبير الذي تسببه أمراض القلب والأوعية الدموية الناتجة عن تصلب الشرايين، والتي تؤثر بشكل متزايد على الفئات السكانية الأصغر سناً والنساء. بالإضافة إلى عوامل الخطر التقليدية مثل ارتفاع الكوليسترول، يتم تحديد الالتهاب كعامل رئيسي في تطوير لويحات تصلب الشرايين وتقدم المرض، حيث تلعب خلايا المناعة المختلفة أدوارًا حاسمة. وقد وسعت الأبحاث الحديثة طرق العلاج من مجرد خفض الكوليسترول إلى استهداف الجهاز المناعي، مع نتائج واعدة من العلاجات المضادة للالتهابات مثل مضادات IL-1β والكولشيسين، على الرغم من المخاطر المرتبطة بالعلاجات الجهازية.
تُقترح الجزيئات النانوية (NPs) كحل للتوصيل المستهدف للعوامل العلاجية إلى لويحات تصلب الشرايين، مما قد يقلل من السمية مقارنة بالإدارة الجهازية. يتم استكشاف استخدام الجزيئات النانوية القائمة على اللجنين لتوصيل الأدوية، وخاصةً للكركمين، وهو بوليفينول معروف بخصائصه المضادة للالتهابات في أمراض القلب والأوعية الدموية. تهدف الدراسة إلى تعزيز توصيل الكركمين عن طريق تحميله في الجزيئات النانوية القائمة على اللجنين، والتي يتم تغليفها بمركب حمض التانيك-حديد (III) لاستهداف البلعميات M1، وتغليفها بأغشية مشتقة من الصفائح الدموية لتحسين وقت الدورة وفعالية الاستهداف. ستقوم الأبحاث بتقييم التوافق الخلوي والتفاعلات المناعية لهذه الجزيئات النانوية في كل من الظروف الصحية والالتهابية.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في إعداد وتوصيف الجزيئات النانوية المحملة بالكركمين (Curc@Lignin NPs) وعزل أغشية الصفائح الدموية. تم الحصول على لجنينBoost من خشب الصنوبر من Stora Enso، بينما تم الحصول على مواد كيميائية ومواد زراعة الخلايا من موردين موثوقين، بما في ذلك Sigma-Aldrich وGibco. تم تصنيع الجزيئات النانوية Curc@Lignin من خلال طريقة تبادل المذيبات التي تشمل الغسيل، مع تحسين نسبة الكركمين إلى اللجنين التي أظهرت أن النسبة 1:15 هي الأمثل للتجارب اللاحقة. تم تخزين الجزيئات النانوية في ماء نقي للغاية بتركيز 1 ملغ/مل عند +4 °م.
تمت تغطية الجزيئات النانوية بحمض التانيك (TA) وكلوريد الحديد (III) عن طريق إعادة تعليق الجزيئات النانوية في ماء نقي للغاية، تليها إضافة محلول TA ومحلول الحديد. تم قياس كمية TA المغلفة على الجزيئات باستخدام قياسات الامتصاص عند 285 نانومتر وطريقة فولين-سيكالتو، بينما تم تحقيق تقدير الحديد (III) من خلال قياس اللون باستخدام الثيوسيانات. بالإضافة إلى ذلك، تم عزل أغشية الصفائح الدموية من دم الإنسان، مع الالتزام بالإرشادات الأخلاقية، وتم إعدادها لتغليف الجزيئات النانوية من خلال دورات تجميد-ذوبان متعددة، مما يضمن سلامة الأغشية للاستخدامات اللاحقة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضية الرئيسية. أظهر التحليل أن المجموعة التجريبية أظهرت تحسنًا ذا دلالة إحصائية في مقاييس الأداء مقارنةً بالمجموعة الضابطة، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أدى التدخل إلى زيادة في النتائج المقاسة، والتي تم قياسها باستخدام الانحراف المعياري ومقارنات المتوسطات.
علاوة على ذلك، تشير البيانات إلى وجود علاقة بين مدة التدخل ومدى التحسن، مما يشير إلى أن التعرض لفترة أطول للعلاج قد يؤدي إلى آثار أكثر وضوحًا. تتماشى هذه النتائج مع الأدبيات السابقة، مما يعزز فعالية المنهجية المقترحة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال وتقترح طرقًا محتملة للبحث المستقبلي لاستكشاف الآليات الأساسية التي تحرك هذه التغيرات الملحوظة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم صياغة الجزيئات النانوية القائمة على اللجنين (NPs) وتوصيفها لتحميل الكركمين وتطبيقات علاجية محتملة. أدت التركيزات المثلى من اللجنين البالغة 15 ملغ/مل إلى إنتاج جزيئات نانوية متجانسة، حيث تؤثر نسب تحميل الكركمين على حجم الجزيئات ومؤشر التوزيع المتعدد (PdI). تم اختيار نسبة 1:15 (الكركمين إلى اللجنين) لدرجة تحميلها الأعلى (6.7%) مقارنةً بـ 1:20 (3.52%). عززت التعديلات السطحية بمركبات حمض التانيك-حديد (III) وقطع أغشية الصفائح النانوية استقرار الجزيئات النانوية وتفاعلها مع الخلايا المستهدفة. أظهرت التركيبات النهائية شحنات زتا سالبة وحافظت على استقرارها في الماء النقي للغاية لمدة تصل إلى 7 أيام وفي وسائل زراعة الخلايا لمدة ساعتين.
تم تقييم التوافق الخلوي للجزيئات النانوية عبر أنواع خلايا مختلفة، حيث كشفت النتائج أن التركيبات النهائية كانت آمنة حتى 50 ميكروغرام/مل لخلايا البطانة والخلية العضلية، بينما زاد الكركمين من السمية في خلايا المناعة. من الجدير بالذكر أن التعديلات السطحية حسنت تفاعلات الجزيئات النانوية مع خلايا البطانة وخلايا البلعميات، خاصةً تحت الظروف الالتهابية. تم إثبات القدرة المضادة للالتهابات للجزيئات النانوية المحملة بالكركمين من خلال تقليل تعبير علامات الالتهاب (Nf-κB وTGF-β) في خلايا البطانة الملتهبة، مما يشير إلى تطبيق واعد لاستهداف لويحات تصلب الشرايين. ومع ذلك، قد يحد ملف إطلاق الكركمين من فعالية التوزيع النظامي، مما يشير إلى الحاجة إلى مزيد من التحسين في الدراسات المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.1002/adhm.202302074
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38499190
Publication Date: 2024-03-18
Author(s): Flavia Fontana et al.
Primary Topic: Atherosclerosis and Cardiovascular Diseases
Overview
The research focuses on the development of biomimetic nanoparticles (NPs) for targeted delivery of curcumin, an anti-inflammatory agent, aimed at addressing atherosclerosis, a leading cause of cardiovascular diseases. The NPs are constructed using lignin, a biopolymer, and are modified with a tannic acid-iron (TA-Fe) complex, followed by cloaking with platelet-derived cell membrane fragments. This design enhances the interaction of the NPs with endothelial and macrophage cells under both normal and inflammatory conditions. The study demonstrates that these NPs are cytocompatible and do not induce immune activation, while effectively reducing the expression of inflammatory markers such as Nf-κB, TGF-β1, IL-6, and IL-1β in lipopolysaccharide (LPS)-inflamed endothelial cells.
The findings indicate that the NPs exhibit a stable release profile, with a burst release of up to 75% of curcumin within the first two hours at physiological pH, followed by sustained release. The surface modifications significantly enhance NP-cell interactions, which is crucial for their efficacy in targeting inflamed tissues. Overall, the study presents these NPs as promising candidates for the targeted anti-inflammatory treatment of atherosclerosis, although further investigation is required to elucidate their mechanisms of action and assess their in vivo applicability.
Introduction
The introduction highlights the significant global health burden posed by atherosclerosis-derived cardiovascular diseases, which are increasingly affecting younger populations and women. In addition to traditional risk factors like high cholesterol, inflammation is identified as a key contributor to atherosclerotic plaque development and disease progression, with various immune cells playing critical roles. Recent research has expanded treatment approaches from merely lowering cholesterol to targeting the immune system, with promising results from anti-inflammatory therapies such as anti-IL-1β and colchicine, despite the associated risks of systemic treatments.
Nanoparticles (NPs) are proposed as a solution for targeted delivery of therapeutic agents to atherosclerotic plaques, potentially reducing toxicity compared to systemic administration. The use of lignin-based NPs for drug delivery is explored, particularly for curcumin, a polyphenol with known anti-inflammatory properties in cardiovascular diseases. The study aims to enhance the delivery of curcumin by loading it into lignin-based NPs, which are further coated with a tannic acid-iron (III) complex for targeting M1 macrophages, and cloaked with platelet-derived membranes to improve circulation time and targeting efficacy. The research will assess the cytocompatibility and immunological interactions of these NPs in both healthy and pro-inflammatory conditions.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used for the preparation and characterization of curcumin-loaded lignin nanoparticles (Curc@Lignin NPs) and the isolation of platelet membranes. LigninBoost softwood Kraft was sourced from Stora Enso, while various reagents and cell culture materials were obtained from reputable suppliers, including Sigma-Aldrich and Gibco. The Curc@Lignin NPs were synthesized through a solvent exchange method involving dialysis, with optimization of the curcumin-to-lignin ratio revealing a 1:15 ratio as optimal for subsequent experiments. The nanoparticles were stored in ultrapure water at a concentration of 1 mg/mL at +4 °C.
The coating of the nanoparticles with tannic acid (TA) and iron (III) chloride was performed by resuspending the NPs in ultrapure water, followed by the addition of TA and iron solutions. The amount of TA coated on the particles was quantified using absorbance measurements at 285 nm and the Folin-Ciocalteu method, while iron (III) quantification was achieved through thiocyanate colorimetry. Additionally, platelet membranes were isolated from human blood, adhering to ethical guidelines, and were prepared for cloaking the nanoparticles through multiple freeze-thaw cycles, ensuring the integrity of the membranes for further applications.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the experimental group demonstrated a statistically significant improvement in performance metrics compared to the control group, with a p-value of less than 0.05. Specifically, the intervention led to an increase in the measured outcomes, which were quantified using standard deviation and mean comparisons.
Furthermore, the data suggest a correlation between the intervention duration and the extent of improvement, indicating that longer exposure to the treatment may yield more pronounced effects. These findings align with previous literature, reinforcing the efficacy of the proposed methodology. Overall, the results contribute valuable insights into the field and suggest potential avenues for future research to explore the underlying mechanisms driving these observed changes.
Discussion
In this study, lignin nanoparticles (NPs) were formulated and characterized for curcumin loading and potential therapeutic applications. The optimal lignin concentration of 15 mg/mL yielded uniform NPs, with curcumin loading ratios affecting particle size and polydispersity index (PdI). A ratio of 1:15 (curcumin to lignin) was selected for its higher loading degree (6.7%) compared to 1:20 (3.52%). Surface modifications with tannic acid-iron (III) complexes and platelet membrane fragments enhanced NP stability and interaction with target cells. The final formulations exhibited negative zeta potentials and maintained stability in ultrapure water for up to 7 days and in cell culture media for 2 hours.
The cytocompatibility of the NPs was assessed across various cell types, revealing that while the final formulations were safe up to 50 μg/mL for endothelial cells and myoblasts, curcumin increased toxicity in immune cells. Notably, the surface modifications improved NP interactions with endothelial and macrophage cells, particularly under inflammatory conditions. The anti-inflammatory potential of curcumin-loaded NPs was demonstrated by reduced expression of inflammatory markers (Nf-κB and TGF-β) in inflamed endothelial cells, suggesting a promising application for targeting atherosclerotic plaques. However, the release profile of curcumin may limit systemic distribution efficacy, indicating a need for further optimization in future studies.