DOI: https://doi.org/10.2147/ijn.s488507
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39867306
تاريخ النشر: 2025-01-01
المؤلف: Gaia Zucca وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة توصيل الأدوية المتقدمة
نظرة عامة
هدفت الدراسة إلى تطوير نانو هلام (NHs) مكون من كبريتات الشوندرويتين (CS) وكيتوزان منخفض الوزن الجزيئي (lCH)، محملاً بمركب نارينجينين-β-سايكلوديكسترين (NAR/β-CD)، كعلاج محتمل لاعتلال الشبكية السكري في مراحله المبكرة. تم إنشاء صيغ مختلفة من NHs من خلال تعديل تركيز البوليمر، ونسبة lCH، ودرجة الحموضة، وتمت مميزاتها من حيث الخصائص الفيزيائية، السمية الخلوية، والامتصاص في خلايا بطانة الوريد السري البشري (HUVEC). أظهرت الصيغ المثلى، N3 و N9، خصائص ملائمة مثل حجم الجسيمات الصغيرة (<350 نانومتر) وإمكانات زيتا إيجابية، مما يعزز امتصاص الخلايا. حقق مركب NAR/β-CD كفاءة تعقيد بنسبة 71%، مما حسن بشكل كبير من ذوبانية NAR. أظهرت صيغة N3@NAR/β-CD إطلاقاً مستداماً لـ NAR على مدى 72 ساعة وخصائص مضادة للأكسدة، مما يشير إلى إمكاناتها لاستهداف خلايا بطانة الشبكية. تشير النتائج إلى أن NHs المحسنة، وخاصة N3@NAR/β-CD، تمتلك خصائص فيزيائية كيميائية مناسبة لتوصيل الأدوية بشكل فعال، مع كفاءة عالية في الاحتواء والتوافق الحيوي. تسلط الدراسة الضوء على إمكانات هذه النانو هلام لتخفيف الإجهاد التأكسدي المرتبط باعتلال الشبكية السكري، مما يستدعي مزيداً من التحقيق في نماذج الحيوانات المصابة بالسكري. ستركز الأبحاث المستقبلية على تعزيز استقرار NHs من خلال تقنيات التجفيف بالتجميد واستكشاف آثارها على المسارات الجزيئية المتعلقة بالمرض.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التحدي الصحي العالمي الكبير الذي تطرحه داء السكري، الذي يؤثر على حوالي 422 مليون فرد ويؤدي إلى اعتلال الشبكية السكري (DR)، وهو السبب الرئيسي لفقدان البصر بين البالغين. يتميز علم الأمراض الفسيولوجية لـ DR بتلف الأوعية الدموية في الشبكية بسبب فرط سكر الدم المزمن، مما يؤدي إلى زيادة في تخليق عامل نمو بطانة الأوعية الدموية (VEGF) وارتفاع مستويات أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). أظهر نارينجينين (NAR)، وهو مركب بوليفينولي له خصائص مضادة للأكسدة، وعداً في تخفيف التلف الناتج عن الإجهاد التأكسدي في الشبكية، خاصة من خلال تنشيط مسار إشارة Nrf2/ARE واستعادة مستويات الجلوتاثيون. ومع ذلك، فإن الطبيعة غير القطبية لـ NAR تحد من تطبيقه العلاجي بسبب ذوبانيته الضعيفة في الماء.
لمعالجة هذه القيود، تقترح الورقة تطوير نانو هيدروجيل (NHs) مكون من كبريتات الشوندرويتين (CS) وكيتوزان منخفض الوزن الجزيئي (lCH)، مصمم لاحتواء مركب إدماج من NAR و β-سايكلوديكسترين (β-CD). تهدف هذه الطريقة المبتكرة إلى تعزيز ذوبانية وتوافر NAR الحيوي مع تمكين التوصيل المستهدف إلى الشبكية عبر الحقن داخل الجسم الزجاجي. يتميز NHs بحجمها، وإمكانات زيتا، والشكل، ويتم تقييم توافقها الحيوي وامتصاصها الخلوي باستخدام خلايا بطانة الوريد السري البشري (HUVEC). كما تحقق الدراسة في الظروف المثلى لتحضير مركب NAR/β-CD وتقييم حركية الإطلاق والنشاط المضاد للأكسدة لـ NHs، مما يمثل استراتيجية جديدة لعلاج التلف الناتج عن الإجهاد التأكسدي في الشبكية في المراحل المبكرة من DR.
طرق
في تحضير الجسيمات النانوية (NHs)، تم استخدام مواد متنوعة، بما في ذلك كيتوزان (lCH) بدرجة نزع الأسيتيل من 75%-85% ووزن جزيئي منخفض يتراوح من 50 كيلو دالتون إلى 190 كيلو دالتون، وهيدروكسيد الصوديوم، وكلاهما مصدره من سيغما-ألدريتش (ميلانو، إيطاليا). تم الحصول على ملح كبريتات الشوندرويتين الصوديوم من الأبقار (CS) بوزن جزيئي منخفض يبلغ 14 كيلو دالتون من بايوإبيركا (برشلونة، إسبانيا)، بينما تم الحصول على حمض الأسيتيك الجليدي من كارلو إيربا (ميلانو، إيطاليا). لتشكيل مركبات الإدماج، تم توفير β-سايكلوديكسترين (β-CD، 1135 غرام/مول) من جيستو فارافيلي S.p.A. (ميلانو، إيطاليا)، وتم شراء نارينجينين (NAR، 272.275 غرام/مول) أيضاً من سيغما-ألدريتش. تم الحصول على إيثانول أنهدريد مطلق من كارلو إيربا.
لإجراء دراسات في المختبر تتعلق بخلايا بطانة الوريد السري البشري (HUVEC)، تم استخدام مجموعة من المواد، بما في ذلك وسط نمو خلايا بطانة الأوعية الدموية الشامل (CM)، محلول التربسين-EDTA، ومجموعة متنوعة من المواد الكيميائية مثل بروميد التترازولي الأزرق (MTT)، ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO)، وبارافورمالدهيد، جميعها مصدرها من سيغما-ألدريتش. تشمل المواد الإضافية تيترا ميثيل رودامين B إيزوثيوسيانات (TRITC)، TRITON-X 100 (TX100)، ثنائي بنزيميدازول 3342 ثلاثي الكلوريد (HOECHST 3342)، محلول ملحي معزز بالفوسفات (PBS)، وزرقاء التربان، والتي كانت ضرورية لإجراء الإجراءات التجريبية.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضيات الرئيسية. أظهر التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون نتيجة للصدفة. على وجه الخصوص، أظهرت مجموعة العلاج زيادة في مقاييس الأداء، تم قياسها بواسطة المعادلة $Y = \beta_0 + \beta_1X + \epsilon$، حيث يمثل $Y$ المتغير الناتج، و$X$ المتنبئ، و$\epsilon$ مصطلح الخطأ.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. تدعم النتائج الإطار النظري المقترح، مما يشير إلى أن التدخل لا يعزز الأداء فحسب، بل يساهم أيضاً في فهم أعمق للآليات الأساسية المعنية. يتم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية، مع التركيز على الدراسات الطولية لتقييم الآثار طويلة الأمد للتدخل والاختلافات المحتملة عبر مجموعات سكانية مختلفة.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تحضير وتوصيف كيتوزان منخفض الوزن الجزيئي (lCH) وكبريتات الشوندرويتين (CS) نانو هلام (NHs) من خلال طريقة التعقيد البوليمري. تضمنت العملية إنشاء محاليل مخزنة من lCH وCS في حمض الأسيتيك، وضبط درجة الحموضة باستخدام NaOH، وخلط المحاليل تحت تحريك قوي. تم اختبار صيغ مختلفة، مع تغيير التركيز الكلي للبوليمر، ونسبة lCH:CS، ودرجة الحموضة لتقييم آثارها على الخصائص الفيزيائية الكيميائية للنانو هلام. أظهرت النتائج أن التركيزات الكلية الأقل للبوليمر أدت إلى أحجام نانو هلام أصغر، بينما أثرت نسبة lCH:CS على كل من القطر الهيدروديناميكي وإمكانات زيتا، مع إنتاج النسب المثلى جسيمات أصغر وشحنات سطحية إيجابية أعلى بسبب هيمنة مجموعات الأمين البروتونية من lCH.
تم استخدام تقنيات التوصيف، بما في ذلك تشتت الضوء الديناميكي (DLS) وتشتت الضوء الكهربائي (ELS)، لتحليل حجم الجسيمات وإمكانات زيتا، مما أكد أن الخصائص الفيزيائية الكيميائية ظلت مستقرة خلال فترة تخزين قصيرة عند 4 درجات مئوية. تم حساب كفاءة الاحتواء للفلوريسئين إيزوثيوسيانات-ديكستران (FITC-dex) داخل NHs، مما يظهر إمكانات النانو هلام لتطبيقات توصيل الأدوية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت اختبارات السمية الخلوية على خلايا بطانة الوريد السري البشري (HUVEC) أن NHs أظهرت سمية منخفضة، مما يدعم ملاءمتها للتطبيقات الطبية الحيوية. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية طريقة التعقيد البوليمري في إنتاج نانو هلام متوافق حيوياً بخصائص قابلة للتعديل لتوصيل الأدوية.
DOI: https://doi.org/10.2147/ijn.s488507
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39867306
Publication Date: 2025-01-01
Author(s): Gaia Zucca et al.
Primary Topic: Advanced Drug Delivery Systems
Overview
The study aimed to develop nanogels (NHs) composed of chondroitin sulfate (CS) and low molecular weight chitosan (lCH), loaded with a naringenin-β-cyclodextrin complex (NAR/β-CD), as a potential treatment for early-stage diabetic retinopathy. Various formulations of NHs were created by adjusting polymer concentration, lCH ratio, and pH, and were characterized for their physical properties, cytotoxicity, and internalization in Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVEC). The optimal formulations, N3 and N9, exhibited favorable characteristics such as small particle size (<350 nm) and positive zeta potential, enhancing cellular uptake. The NAR/β-CD complex achieved a 71% complexation efficiency, significantly improving NAR solubility. The N3@NAR/β-CD formulation demonstrated sustained NAR release over 72 hours and antioxidant properties, indicating its potential for targeting retinal endothelial cells. The findings suggest that the optimized NHs, particularly N3@NAR/β-CD, possess suitable physico-chemical properties for effective drug delivery, with high encapsulation efficiency and biocompatibility. The study highlights the potential of these nanogels to mitigate oxidative stress associated with diabetic retinopathy, warranting further investigation in diabetic animal models. Future research will focus on enhancing the stability of NHs through freeze-drying techniques and exploring their effects on molecular pathways related to the disease.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant global health challenge posed by diabetes mellitus, which affects approximately 422 million individuals and leads to diabetic retinopathy (DR), a primary cause of vision impairment among adults. The pathophysiology of DR is characterized by retinal blood vessel damage due to chronic hyperglycemia, resulting in increased synthesis of Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) and elevated levels of reactive oxygen species (ROS). Naringenin (NAR), a polyphenolic compound with antioxidant properties, has shown promise in mitigating oxidative stress-related retinal damage, particularly through the activation of the Nrf2/ARE signaling pathway and restoration of glutathione levels. However, NAR’s hydrophobic nature limits its therapeutic application due to poor water solubility.
To address this limitation, the paper proposes the development of nanohydrogels (NHs) composed of chondroitin sulfate (CS) and low molecular weight chitosan (lCH), designed to encapsulate an inclusion complex of NAR and β-cyclodextrin (β-CD). This innovative approach aims to enhance the solubility and bioavailability of NAR while enabling targeted delivery to the retina via intravitreal injection. The NHs are characterized by their size, zeta potential, and morphology, and their biocompatibility and cellular uptake are evaluated using Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVEC). The study also investigates the optimal conditions for preparing the NAR/β-CD complex and assesses the release kinetics and antioxidant activity of the NHs, marking a novel strategy for treating oxidative stress-induced retinal damage in the early stages of DR.
Methods
In the preparation of nanoparticles (NHs), various materials were utilized, including chitosan (lCH) with a deacetylation grade of 75%-85% and a low molecular weight ranging from 50 kDa to 190 kDa, and sodium hydroxide, both sourced from Sigma-Aldrich (Milan, Italy). Bovine chondroitin sulfate sodium salt (CS) with a low molecular weight of 14 kDa was obtained from Bioiberica (Barcelona, Spain), while glacial acetic acid was procured from Carlo Erba (Milan, Italy). For the formation of inclusion complexes, β-cyclodextrins (β-CD, 1135 g/mol) were supplied by Giusto Faravelli S.p.A. (Milan, Italy), and naringenin (NAR, 272.275 g/mol) was also purchased from Sigma-Aldrich. Absolute anhydrous ethanol was acquired from Carlo Erba.
For in vitro studies involving Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVEC), a range of materials was used, including an all-in-one endothelial cell growth medium (CM), trypsin-EDTA solution, and various reagents such as triazolyl blue tetrazolium bromide (MTT), dimethyl sulfoxide (DMSO), and paraformaldehyde, all sourced from Sigma-Aldrich. Additional materials included tetramethylrhodamine B isothiocyanate (TRITC), TRITON-X 100 (TX100), bisbenzimide 3342 trichloride (HOECHST 3342), phosphate buffered saline (PBS), and trypan blue, which were essential for conducting the experimental procedures.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group demonstrated an increase in performance metrics, quantified by the equation $Y = \beta_0 + \beta_1X + \epsilon$, where $Y$ represents the outcome variable, $X$ the predictor, and $\epsilon$ the error term.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings within the broader context of the field. The results support the theoretical framework proposed, indicating that the intervention not only enhances performance but also contributes to a deeper understanding of the underlying mechanisms at play. Future research directions are suggested, focusing on longitudinal studies to assess the long-term effects of the intervention and potential variations across different populations.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of low molecular weight chitosan (lCH) and chondroitin sulfate (CS) nanogels (NHs) through a polyelectrolytic complexation method are discussed. The process involved creating stock solutions of lCH and CS in acetic acid, adjusting the pH with NaOH, and mixing the solutions under vigorous stirring. Various formulations were tested, varying the total polymer concentration, the lCH:CS ratio, and the pH to assess their effects on the nanogels’ physicochemical properties. The results indicated that lower total polymer concentrations led to smaller nanogel sizes, while the lCH:CS ratio influenced both the hydrodynamic diameter and zeta potential, with optimal ratios producing smaller particles and higher positive surface charges due to the predominance of protonated amine groups from lCH.
Characterization techniques, including dynamic light scattering (DLS) and electrophoretic light scattering (ELS), were employed to analyze particle size and zeta potential, confirming that the physicochemical properties remained stable over a short-term storage period at 4°C. The encapsulation efficiency of fluorescein isothiocyanate-dextran (FITC-dex) within the NHs was calculated, demonstrating the nanogels’ potential for drug delivery applications. Additionally, cytotoxicity tests on human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) indicated that the NHs exhibited low toxicity, supporting their suitability for biomedical applications. Overall, the findings underscore the effectiveness of the polyelectrolytic complexation method in producing biocompatible nanogels with tunable properties for drug delivery.