New Approach in Ulcer Prevention and Wound Healing Treatment using Doxycycline and Amoxicillin/LDH Nanocomposites

Rycina 1A przedstawia wzory XRD LDH, doksycykliny i doksycykliny/LDH. Wyniki XRD potwierdzają strukturę LDH zgodną z kartą ICDD nr (00-048-0601)18. Średnia wielkość krystalitów (L) została obliczona przy użyciu wzoru Debye-Scherera, L = kλ/Bcosθ, gdzie k jest współczynnikiem kształtu, B jest szerokością linii spektralnej przy intensywności połowy maksimum, λ jest długością fali promieniowania rentgenowskiego, a θ jest kątem dyfrakcji Bragga. Mg-Al LDHs mają romboedryczną strukturę krystaliczną z grupą przestrzenną R-3m i parametrami komórki jednostkowej a = b = 3.04 Å i c = 23.5 Å. Płaszczyzny bazowe (003) i (006) oraz poszerzenia płaszczyzn (015) i (018) potwierdzają warstwową budowę LDHs. Wielkość krystalitów wynosiła 16,441 nm. Wszystkie piki doksycykliny/LDH są podobne do tych we wzorze dyfrakcyjnym LDH, co potwierdza stabilność struktury po załadowaniu. Rysunek 1B pokazuje, że wszystkie wzory wskazują na tworzenie się dobrze skrystalizowanej hydrotalcitopodobnej fazy amoksycyliny-LDH. Interesujące jest to, że po obciążeniu DOX i AMOX/LDH odstępy bazowe wynosiły odpowiednio 0,112 i 0,419 Å. Wyniki te sugerują, że zmiana odstępu d była bardzo mała; co wskazuje, że DOX lub AMOX wykazuje mniej efektywną penetrację w międzywarstwie Mg-Al/LDH19. Dlatego zmiana wzoru XRD dostarcza pośrednich dowodów na to, że leki zostały zaadsorbowane na powierzchni dodatniego LDH. Żaden materiał nie został zanieczyszczony atmosferycznym CO2, co zostało również potwierdzone badaniem EDAX.

Widmo FT-IR zostało zbadane w celu oszacowania struktury nanokompozytów Mg-Al/LDH, amoksycyliny/LDH i doksycykliny/LDH, jak pokazano na Rys. 1(C,D). Wiązania chemiczne w Mg-Al-NO3 LDH zostały zidentyfikowane przez pasmo skupione przy 622 cm-1 i przypisane do wibracji M-O-M20,21. Pasmo to, podobnie jak związane ze zginaniem M-O-H21, wiąże się z translacyjnym ruchem jonów metali tlenowych w warstwach brucytu22,23. Silne szerokie pasmo przy 3441 cm-1 związane jest z drganiami rozciągającymi wiązania H grupy OH (ν O-H) w warstwach brucytu21. Wibracja zginająca (δ H2O) cząsteczek H2O w warstwach20 pojawiła się przy 1638 cm-1. Pik zlokalizowany przy 1381 cm-1 związany jest z drganiami rozciągającymi ν3 grup NO3 w międzywarstwie LDH.

Co ciekawe, Rys. 1C,D pokazuje obecność ważnych pasm AMOX i DOXY w widmach kompozytów Mg-Al LDH/AMOX i Mg-Al LDH/DOXY, wskazując na udany załadunek leków do gospodarza Mg-Al LDH24,25. Ponadto, intensywność piku NO3 przy 1381 cm-1 zmniejszyła się, wskazując na wymianę anionów azotanowych przez antybiotyki24. Ponadto, niektóre piki przesunęły się do nowych wartości; na przykład, pik grupy NO3 przy 1381 cm-1 przesunął się do 1375 cm-1, podczas gdy niektóre piki, takie jak pik związany z drganiami rozciągającymi grupy karbonylowej C=O COO- w AMOX przy 1775 cm-1, zniknęły dla nanokompozytu Mg-Al LDH/AMOX, potwierdzając proces ładowania.

Morfologia nanokompozytu Mg-Al/LDH została zbadana za pomocą obrazów FESEM, które potwierdziły wyniki XRD; gdzie wszystkie warstwy są skupione w morfologię przypominającą płytę, jak pokazano na Rys. 2. This is due to the slowness of the homogeneity and nucleation processes.

The HRTEM micrographs presented further confirmation on the observations of XRD, In Fig. 3A,B, the HRTEM images showed the layered structures Mg-Al/LDH. While in Fig. 3C,D show Mg-Al/LDH after loading Doxycycline and finally Fig. 3E,F show Amoxicillin drugs on Mg-Al/LDH. The layered structure appeared, therefore the LDH structure is stable after drug loading. The Selected Area Electron Diffraction (SAED) pattern assumed the good crystallinity of LDHs.

Średnice Z oraz potencjały Mg-Al/LDH, doksycykliny/LDH i amoksycyliny/LDH przy różnych wartościach pH, wyznaczone metodą dynamicznego rozpraszania światła, zestawiono w tabeli 1. Średnice doksycykliny/LDH i amoksycyliny/LDH były odpowiednio o 723,1 i 1217,8 nm większe niż Mg-Al/LDH. Rozbieżność ta może być spowodowana adsorpcją amoksycyliny i doksycykliny na powierzchni LDH. Zoptymalizowane potencjały zeta Mg-Al/LDH, doksycykliny/LDH i amoksycyliny/LDH przy różnych wartościach pH przedstawiono w tabeli 1. Dodatni potencjał zeta Mg-Al/LDH przy różnych wartościach pH wynika z charakteru LDH. Potencjał zeta zmniejszył się dla AMOX/LDH i DOX/LDH w porównaniu z czystym LDH. Odzwierciedlało to, że AMOX i DOX były szeroko udanymi preparatami nanokompozytowymi26

Dane w tabelach (2 i 3) przedstawiają wyniki badań ostrej toksyczności nanokompozytu DOX/LDH i AMOX/LDH u myszy po podaniu doustnym. Objawy toksyczności obserwowano po podaniu nanokompozytów DOX/LDH i AMOX/LDH w chorobach takich jak drżenia, szybki oddech, wysklepione plecy, drgawki i śpiączka, a następnie śmierć. W przypadku nanokompozytów DOX/LDH prawdopodobieństwo śmiertelności stwierdzono już przy dawce 600 mg/kg m.c. w porównaniu do 1100 mg/kg m.c. w przypadku AMOX/LDH. Obliczono, że LD50 wynosi 1100 i 1210 mg/kg m.c. odpowiednio w DOX/LDH i AMOX/LDH, a 100% śmiertelność (LD100) osiągnięto przy dawce 1600 i 1500 mg/kg m.c. odpowiednio w obu nanokompozytach. Wyniki te wskazały na bezpieczne zastosowanie zarówno DOX/LDH jak i AMOX/LDH w badaniach farmakologicznych.

Uznaliśmy wartości LD50 wynoszące 1/200 i 1/30 dla nanokompozytu DOX/LDH i nanokompozytu AMOX/LDH, odpowiednio, do oceny leczenia wrzodów w tym badaniu. Badania toksykologiczne dla obu nanokompozytów były badane na myszach, a aplikacje na rany i wrzody były badane na szczurach, tak jak w naszym badaniu nie zaobserwowano znaczącej różnicy między LD50 między szczurami i myszami. W wielu badaniach dawka terapeutyczna u szczurów jest prawie równoważna dawce u myszy, ale jeśli pytamy o dawkę toksyczną, to różni się ona w znaczących aspektach. Jeśli przeprowadzisz badanie toksyczności ostrej, aby ustalić nową i najbezpieczniejszą dawkę terapeutyczną na myszach, możesz być pewien, że ta dawka jest wystarczająco bezpieczna dla szczurów. Aby wybrać idealną dawkę terapeutyczną u szczurów w porównaniu z myszami, trzeba dostosować kilka (np. tylko +/-5%) schematów dawkowania tylko w niektórych przypadkach lub nie różni się. Tak więc, dostosowanie dawki u myszy jest sugerowane, a następnie można łatwo przekonwertować i dostosować go u szczurów, co, jak również zapewnia korzyści ekonomiczne zbyt jak wcześniej wspomniano w innych badaniach27,28,29,30,31,32,33,34 (1-7).

Zgodnie z LD50 i wraz ze wzrostem dawki leku, toksyczność wzrosła w badaniu, jak pokazano w tabelach 2 i 3. Ponadto, wybraliśmy te dawki na początku do badania pilotażowego i obliczyliśmy LD50 na podstawie uzyskanych wyników. Ponadto znaleźliśmy tę samą dawkę zarówno dla amoksycyliny, jak i doksycykliny w oparciu o wcześniejszą literaturę35,36. Dawkowanie aktywnego składnika leku (tylko AMOX lub DOX) było następujące: NPs obciążone amoksycyliną lub proszek amoksycyliny podawano doustnie szczurom SD (250-300 g, sześć szczurów w każdej grupie) na czczo przez 8 h w dawce amoksycyliny 40 mg/kg35. Dawkę doksycykliny dobrano na podstawie LD50 i zgodnie z wcześniejszym badaniem, w którym podano, że doksycyklina ma pH około 3,3 i dawkę 5 mg/kg m.c.36..

Szczury, którym podawano miejscowo maść z nanokompozytów DOX/LDH (G4) i AMOX/LDH (G2), wykazały znaczący wzrost odsetka gojenia się ran i wielkości zamknięcia rany przy 4 (p < 0.001, p < 0.00), 8 (p < 0.001, p < 0.001),12 (p < 0.001, p < 0.00) i 16-dniowe (p < 0.001, p < 0.001) podawania miejscowego na obszar rany odpowiednio w DOX/LDH i AMOX/LDH w porównaniu do nieleczonej grupy kontrolnej. Ponadto, znaczący wzrost aktywności gojenia rany ujawniono dla G3 (AMOX), G5 (DOX), G6 (standard) i G7 (Mg AL) przy 4 (p < 0.5, p < 0.001, p < 0.001, p < 0.5), 8 (p < 0.001), 12 (p < 0.001) i 16 dni (p < 0.001) leczenia odpowiednio w porównaniu do nieleczonych grup kontrolnych. Nieistotne różnice zaobserwowano pomiędzy grupami G3, G5, G6 i G7. Znaczący wzrost szybkości zamykania ran wykazano w grupach G2 i G4 w porównaniu z innymi grupami poza kontrolnymi G3, G5, G6 i G7 (Tabela 4), (Rys. 4) i (Wykres 1). Całkowite zagojenie rany osiągnięto po 18 dniach w nanokompozytach DOX/LDH (G4) i AMOX/LDH (G2) oraz G6 (standard), w porównaniu do 24 dni dla całkowitego zamknięcia w innych grupach; wskazując na szybszy, wysoce efektywny proces gojenia rany w nanokompozytach z lekami przeciwbakteryjnymi.

Badania histopatologiczne próbek skóry po różnych zabiegach wykazały, że zarówno nanokompozyty AMOX/LDH, jak i DOX/LDH prowadziły do pełnego gojenia się ran z prawidłowym tworzeniem się nabłonka i naczyń krwionośnych. Ponadto, ta sama aktywność gojenia pojawiła się w grupie standardowej, ale o niższej skuteczności niż te dwie grupy. Natomiast pozostałe grupy AMOX, DOX, Mg/Al oraz grupy kontrolne wykazały całkowite gojenie rany z przekrwieniem i pęknięciem nabłonka (ryc. 5).

Oralne podanie biotechnologicznego absolutu etanolu 98,9% szczurom na czczo przez 24 godziny wywołało wyższy wskaźnik owrzodzenia w grupie kontrolnej nieleczonej (P < 0,00) w porównaniu z innymi leczonymi grupami. Znaczące zmniejszenie wskaźnika owrzodzenia zaobserwowano w grupach wstępnie leczonych DOX/LDH (p < 0.000) i AMOX/LDH (p < 0.000) z wyższym wskaźnikiem ochrony w porównaniu z grupą kontrolną nieleczoną. Grupa standardowa, której podawano Ranitidine® również wykazała znaczące zmniejszenie (p < 0.000) wskaźnika owrzodzenia w porównaniu do grupy kontrolnej. Szczury leczone AMOX/LDH (G2) (p > 0.05), DOX/LDH (G4) (p > 0.05), AMOX (G3) (p > 0.05) i grupa standardowa (G6) (p > 0.05), z drugiej strony, wykazały nieistotne zmiany w porównaniu ze sobą, jednak ujawniły znaczącą różnicę w porównaniu z DOX (G5) (p < 0.05) i Mg-Al (G7) (p < 0.05). Te dwie grupy G5 (p > 0.05) i G7 (p > 0.05) wykazywały nieistotną zmienność między sobą, ale istotnie różniły się od nieleczonej grupy kontrolnej. Maksymalny procent ochrony żołądka zaobserwowano w grupie DOX/LDH, AMOX/LDH i grupie standardowej w porównaniu do innych grup (Tabela 5) i (Rys. 6).

Histopathological investigation into the different treatments of the stomach revealed good gastric and mucosal protection with normal structure in the DOX/LDH, AMOX/LDH, Standard and Mg/Al, while deep gastric ulcer was observed in DOX, AMOX. and the Control Groups (Fig. 7).

Szybki klirens i metabolizm, niestabilność w płynach biologicznych, wysokie dawkowanie, ogólnoustrojowe działania niepożądane i ograniczenie w dotarciu do miejsca działania to główne wady stosowania leków przeciwdrobnoustrojowych37. System dostarczania leków wykorzystujący nanotechnologię jest obecnie bardzo ważnym modelem zwiększania skuteczności terapeutycznej leków, aktywnego lub pasywnego ukierunkowania, kontrolowanego uwalniania oraz eliminowania ogólnoustrojowych działań niepożądanych leków38. Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, mimo że zarówno doksycyklina jak i amoksycylina są powszechnie stosowanymi lekami przeciwbakteryjnymi o szerokim spektrum działania w leczeniu wielu chorób u ludzi i zwierząt. Nie prowadzono wcześniejszych badań dotyczących wprowadzania tych leków do nanokompozytu warstwowego wodorotlenku podwójnego (LDH) w celu poszukiwania nowych zastosowań. Podobnie, żadne wcześniejsze dane nie odnosiły się do aktywności DOX/LDH lub AMOX/LDH jako nanokompozytów w leczeniu ran i owrzodzeń. Plan tego badania obejmował dwa główne cele, jak następuje: Inkorporacja doksycykliny i amoksycyliny do Mg/Al LDH w postaci nanokompozytów przeciwdrobnoustrojowych, jak również zbadanie ich zdolności do gojenia ran i leczenia owrzodzeń in vivo oprócz badania ich ostrej toksyczności.

Wodorotlenek dwuwarstwowy (LDH) wykazał duże znaczenie jako nowy model systemu dostarczania leków w dziedzinie farmakologii ze względu na ich bezpieczeństwo i niską toksyczność38.

W badaniu toksyczności ostrej, LD50 został użyty do określenia toksyczności ostrej zarówno nanokompozytów DOX/LDH jak i AMOX/LDH. W przypadku nanokompozytów DOX/LDH, myszy wykazywały objawy toksyczne i śmiertelność począwszy od 600 mg/kg m.c., a maksymalna śmiertelność (LD100) została osiągnięta przy 1600 mg/kg m.c. Natomiast śmiertelność nanokompozytów AMOX/LDH rozpoczynała się od 1000 mg/kg m.c., a maksymalną śmiertelność (LD100) osiągnięto przy 1500 mg/kg m.c. LD50 dla DOX/LDH wynosiła 1100, a dla AMOX/LDH 1210; oba leki uznano więc za bezpieczne. Myszy, którym podawano DOX/LDH lub AMOX/LDH, nie wykazywały objawów toksycznych ani śmiertelności po leczeniu zwykłym dawkowaniem, co wskazuje na bezpieczeństwo stosowania tych leków. Leki lub materiały o wartości LD50 wynoszącej 1000 mg/kg m.c. | uważane są za bezpieczne lub o niskiej toksyczności po podaniu doustnym39; dlatego też zarówno DOX/LDH, jak i AMOX/LDH uważane są za leki bezpieczne. Podobnie, LDH oparte na magnezie lub aluminium są uważane za najbezpieczniejsze nanomateriały do dostarczania leków i najmniej toksyczne w porównaniu z innymi typami LDH40. Dlatego LDH są szeroko stosowane jako nanomateriałowe nośniki dla systemów dostarczania leków lub innych substancji, takich jak białka lub geny41.

Nanotechnologia wykazuje dużą przydatność w poprawie leczenia ran. Skala nanometrowa otworzyła drogę do ewolucji nowych materiałów do zastosowania w wysoce zaawansowanych technologiach medycznych i ożywienia skuteczności celowania wielofunkcyjnych nanonośników. Inkorporacja małych cząsteczek leków do nanocząstek lub warstw może modulować ich bezpieczeństwo, biodostępność i skuteczność42. Na farmakokinetykę i farmakodynamikę leków duży wpływ ma rozmiar nanonośnika43.

Gojenie się ran nadal pozostaje trudnym problemem klinicznym, dla którego skuteczna obsługa i pielęgnacja ran jest niezbędna. Co więcej, skuteczna naprawa ran i tkanek jest nadal głównym wyzwaniem w opiece zdrowotnej i biomedycynie w XXI wieku. Zakażone lub przewlekłe rany często prowadzą do utraty życia poprzez utratę zdolności do pełnienia pożądanych funkcji oraz zwiększone nasilenie bólu, a także stanowią obciążenie dla zasobów systemu opieki zdrowotnej1, dlatego poszukiwanie metod lub leków, które mogą pomóc w przyspieszeniu procesu gojenia się ran oraz skróceniu okresu całkowitego wyleczenia rany ujawniłoby terapię o dużym znaczeniu. Procent aktywności gojenia i wielkość zamknięcia rany w ciągu 22 dni zostały użyte jako marker aktywności gojenia rany obok wyników badań histopatologicznych. Po zastosowaniu miejscowym, nanokompozyty DOX/LDH wykazały szybki i kompletny proces gojenia rany w krótszym czasie, podobnie jak nanokompozyty AMOX/LDH, i lepiej niż same wolne leki i grupa nieleczona. Tak samo DOX, AMOX, LDH (Mg/Al) i grupa standardowa wykazywały dobrą aktywność gojenia, ale w dłuższym czasie niż maść z nanokompozytów DOX/LDH i AMOX/LDH. Dobra aktywność lecznicza nanokompozytów DOX/LDH i AMOX/LDH może być przypisana dobrej zdolności penetracji rany przez nanomateriał niosący środki przeciwbakteryjne. Główną przyczyną niezagojonych ran są infekcje bakteryjne44, dlatego do nanoszenia na nanomateriał LDH użyto doksycykliny i amoksycyliny antybiotyków o szerokim spektrum działania przeciwko bakteriom gram-dodatnim i gram-ujemnym. Staphylococcus jest jednym z najczęstszych patogenów bakteryjnych odpowiedzialnych za większość zakażeń ran i jest uważany za jedną z głównych przyczyn zakażeń szpitalnych. Słabe środki przeciwbakteryjne lub te o niskiej zdolności inwazji mogą prowadzić do bakteriemii, sepsy i/lub zespołu wstrząsu toksycznego45. Dobra zdolność penetracji zarówno doksycykliny jak i amoksycyliny do obszaru rany przez nanomateriały zapobiega wystąpieniu jakiegokolwiek zakażenia bakteryjnego i pomaga w przyspieszeniu procesu gojenia się rany z całkowitym utworzeniem futra i bez obecności strupów.

Wyniki badań histopatologicznych wskazały, że nanokompozyty amoksycyliny i doksycykliny wykazywały szybki skurcz, co jest bardzo ważne dla szybkiego zamknięcia rany, szczególnie w przypadku zwierząt z gubiącą się skórą (mysz, szczur). Ponowna epitelializacja była wspólnym etapem dla wszystkich zwierząt podczas procesu gojenia się ran i kontaktu z powierzchnią nabłonka46.

Nanocząstki zwiększały aktywność materiałów nośnikowych, takich jak leki, ze względu na ich duży stosunek powierzchni do objętości. Poza tym skuteczność działania przeciwdrobnoustrojowego doksycykliny i amoksycyliny wzrasta przy zastosowaniu nanowarstw LDH47. Zarówno jony magnezu jak i glinu w LDH mają aktywność przeciwdrobnoustrojową i działają jako wymiatacze wolnych rodników ROS (Reactive Oxygen Species). Stres oksydacyjny prowadzi ponadto do zwiększonej produkcji ROS, a także opóźnia procesy komórkowe związane z gojeniem się ran. W związku z tym Mg/Al pomaga w uzyskaniu dobrej aktywności gojenia w krótszym czasie48.

Główną przyczyną niezagojonej rany śluzówki jest infekcja bakteryjna prowadząca do wrzodów żołądka i jelit (GIU), które są wywoływane głównie przez bakterie Helicobacter pyloriis u dorosłych i dzieci na całym świecie. Niepowodzenie leczenia odpowiednim stężeniem antybiotyków wynika z faktu, że H.pyloriis żyje pod śluzówką żołądka, która stanowi podporę dla nabłonka żołądka5. Nanocząsteczki obciążone antybiotykami wykazały skuteczność w leczeniu infekcji przewodu pokarmowego, ponieważ ich małe cząsteczki skutecznie przylegają do błony śluzowej żołądka i działają przeciwko żyjącym tam bakteriom7. Na tej podstawie, zarówno grupa leczona nanokompozytami DOX/LDH jak i AMOX/LDH wykazała znaczący spadek wskaźnika owrzodzenia lub nasilenia indukowanego owrzodzenia po 7 dniach leczenia. Zmniejszenie indukcji owrzodzenia można przypisać doskonałej adhezji nanomateriału Mg/Al-LDH dzięki jego niewielkim rozmiarom, co umożliwia kontrolowane uwalnianie antybiotyków. Możliwy mechanizm ochrony przewodu pokarmowego przed owrzodzeniem lub raną poprzez owrzodzoną tkankę, szczególnie w żołądku produkującym duże ilości śluzu, który sprzyja adhezji drobnych cząstek ze względu na ich małą masę. Dodatkowo stan zapalny żołądka zwiększa produkcję śluzu i drobniejsze cząstki przylegają do niego lepiej49. W miejscu zapalenia komórki odpornościowe, takie jak makrofagi, pochłaniają małe cząsteczki i w konsekwencji ładują antybiotyki, które uwalniają się i wywołują skutki miejscowe50.

W dodatku, zarówno w grupie leczonej doksycykliną, jak i antybiotykami amoksycylinowymi, zaobserwowano również znaczące zmniejszenie liczby wrzodów. Spadek ten można przypisać ich aktywności antybakteryjnej w leczeniu ran i owrzodzeń51. Na tej samej podstawie, Mg/Al LDH wykazał spadek liczby wrzodów w porównaniu z grupą kontrolną szczurów nieleczonych. Ten spadek lub że ochrona żołądka była spowodowana przez warstwę ochronną utworzoną przez Mg/Al LDH, który był powszechnie stosowany jako środek przeciwkwasowy52. Choroby wrzodowe leczone za pomocą nanonośnika LDH w postaci doustnej antykwasowej i antypepsynowej potwierdziły bezpieczeństwo i biokompatybilność tego systemu dostarczania Nanos, co potwierdzają również wyniki histopatologiczne.

Na podstawie naszej wiedzy, nie zgłoszono żadnych wcześniejszych badań dotyczących skuteczności antybiotyków wymienionych powyżej w leczeniu ran lub owrzodzeń, jednak istnieje wiele badań wykazujących znaczenie miejscowego podawania antybiotyków w szybkości gojenia i zapobieganiu infekcji. Obecnie miejscowa terapia przeciwdrobnoustrojowa w leczeniu owrzodzeń lub ran stała się bardziej ugruntowana ze względu na jej znaczenie w odniesieniu do szybkości gojenia. Czas gojenia jest najważniejszym punktem końcowym w leczeniu ran53. Niektórzy badacze odnotowali wskaźnik gojenia na poziomie 83% w ciągu 30 tygodni54 , podczas gdy inni donosili, że 62/90 (69%) żylnych owrzodzeń podudzi zostało wyleczonych w ciągu 12 tygodni. Moffatt i wsp.55 stwierdzili, że 70% owrzodzeń żylnych uległo wygojeniu po 48 tygodniach leczenia; autorzy zauważyli również, że wiele dowodów dotyczących wskaźników wygojenia pochodzi z wyników randomizowanych badań kontrolowanych. Badania te zazwyczaj osiągają 24-tygodniowe wskaźniki wyleczenia pacjentów przekraczające 60%, ale mogą nie odzwierciedlać złożonych problemów występujących w praktyce klinicznej. Ze względu na te badania, konwersja antybiotyków do postaci nano będzie miała istotny wpływ na szybkość gojenia w krótszym czasie, tak jak w naszym badaniu.

Główna idea tego badania obraca się wokół miejscowej aplikacji antybiotyków o dużej sile penetracji i przedłużonej szybkości uwalniania poprzez załadowanie ich na Nanomateriały. Stosowanie takich antybiotyków miejscowo na rany zapobiega infekcjom, które opóźniają tempo gojenia, dzięki czemu proces gojenia się ran i owrzodzeń trwa krócej. W konsekwencji stwierdzono, że dodanie antybiotyków przyspiesza proces gojenia i skraca czas gojenia poprzez zapobieganie infekcjom.

Zaletami terapii miejscowej jest możliwość dostarczenia wysokiego stężenia miejscowego przy małych dawkach środka, nawet u pacjentów z niedokrwieniem kończyn, uniknięcie efektu pierwszego przejścia w przewodzie pokarmowym, a także zmniejszenie ryzyka ogólnoustrojowych działań niepożądanych. Preparaty miejscowe osiągają bardzo wysokie stężenia miejscowe56. Ponadto, sama eradykacja lub zmniejszenie liczby drobnoustrojów w ranie nie jest wystarczającym punktem końcowym skuteczności leku57 , ale zależy również głównie od ich siły penetracji i jej skuteczności. Wreszcie, żadne dane kliniczne nie potwierdzają stosowania miejscowego leczenia antybiotykami w celu zapobiegania nawrotom zakażenia rany. Wszystkie otwarte rany są kolonizowane przez mikroorganizmy, które na ogół wpływają na proces gojenia. Jeśli jednak kolonizacja przekształci się w zakażenie miejscowe, które w konsekwencji stanie się zakażeniem ogólnoustrojowym, skutki mogą być groźne dla życia. W związku z tym pielęgnacja ran obejmuje nie tylko oczyszczanie, oczyszczanie i leczenie czynników etiologicznych, ale również środki zapobiegające prawdopodobieństwu zakażenia miejscowego, a nawet ogólnoustrojowego skolonizowanych ran58. Udowodniono, że miejscowe leczenie antybiotykami odgrywa rolę w promowaniu gojenia, chociaż leczenie podstawowej etiologii pozostaje kluczowym elementem59. Do czynników miejscowych, które mogą opóźniać gojenie, należy liczba bakterii obecnych na powierzchni rany60. Ponadto zarówno wodorotlenek magnezu, jak i wodorotlenek glinu działają zasadniczo jako środki zobojętniające kwas żołądkowy poprzez powłokę żołądka61. Poza tym amoksycylina odgrywa rolę w zwalczaniu bakterii Helicobacter i wykazuje szerokie spektrum działania jak doksycyklina. Wszystkie te czynniki są głównymi powodami wyboru takich materiałów do oceny ich aktywności w gojeniu ran i wrzodów.

Stosowanie antybiotyków przy każdym urazie (rana lub wrzód) jest głównym sposobem leczenia w celu szybkiego gojenia w krótszym czasie. Odbywa się to poprzez zapobieganie infekcjom, które są główną przyczyną opóźniania gojenia się rany lub wrzodu. Ponieważ infekcja jest częstym powodem słabego gojenia się ran. W związku z tym, znaczna redukcja liczby bakterii jest istotna w leczeniu ostrych lub przewlekłych ran, a zwłaszcza zahamowanie wzrostu bakterii wewnątrz indukowanej lub otwartej rany poprzez obniżenie wartości pH62. Indukcja powierzchni rany obniża pH zainfekowanych powierzchni i tworzy nieodpowiednie środowisko dla wzrostu i namnażania się bakterii. Ponadto, pH rany może dodatkowo wpływać na skuteczność antybiotyków i antyseptyków63. pH może modulować skuteczność i powodzenie działania antybiotyków potencjalnie zmieniając stan metaboliczny bakterii23, umożliwiając wzrost bakterii i wystąpienie oporności nabytej. Na przykład, skuteczność wielu antybiotyków i antyseptyków srebra jest zmniejszona w środowisku kwaśnym, które jest również sprzyjającym medium w naszym badaniu64.

Główną rolą antybiotyków w gojeniu ran jest hamowanie wzrostu bakterii opornych na leki i promowanie gojenia w modelu rany u gryzoni65. Zarówno amoksycylina, jak i doksycyklina spełniają te role jako antybiotyki o szerokim spektrum działania i bakteriobójcze, które pomagają zapobiegać rozwojowi bakterii i wspomagają gojenie się owrzodzeń i ran w krótkim czasie. Tak więc, nanocząstki zastosowane w tym badaniu wykazywały znacznie wyższą siłę działania przeciwbakteryjnego wobec bakterii Gram-ujemnych i Gram-dodatnich, ponieważ zwiększały siłę penetracji do ściany komórkowej lub błony bakteryjnej. Zwiększony efekt hamujący w porównaniu z działaniem samego antybiotyku wynikał ze zdolności zaprojektowanych nanocząstek do dezintegracji błony bakteryjnej. Nanocząstki te przyspieszały gojenie się wrzodów i ran poprzez regulację stanu zapalnego i angiogenezy. Dodatkowo pozwoliły na zwiększenie chłonności skóry mieszaniny nanocząsteczek.

Większość z tych nanocząsteczkowych nośników, takich jak LDH, została wykorzystana do dostarczania środków terapeutycznych o właściwościach antybakteryjnych, a także zostały one zbadane jako nanonośniki leków wspomagających gojenie się ran, wybranych na podstawie potrzeb ran13. Nanonośniki te pomagają w dostarczaniu leków, ponieważ promują wzrost komórek, przyspieszają gojenie się ran skórnych i zmniejszają tworzenie się blizn66.

W szczególności H. pylori żyje głęboko w śluzie żołądka, a długotrwała miejscowa aplikacja leku jest potrzebna do wystarczającej dyfuzji do bakterii67. Żaden pojedynczy antybiotyk nie jest skuteczny w eradykacji H. pylori, gdy jest podawany in vivo. Leczenie takiej choroby zakaźnej w chorobie wrzodowej wymaga zwykle potrójnej terapii, obejmującej antybiotyk, lek przeciwbakteryjny i inhibitory pompy protonowej. Niepowodzenie pojedynczej antybiotykoterapii może być spowodowane słabą stabilnością leku w kwaśnym pH żołądka, słabą przepuszczalnością antybiotyków przez warstwę śluzu lub dostępnością subterapeutycznych stężeń antybiotyków w miejscu zakażenia po podaniu doustnym w konwencjonalnej formie dawkowania68. Dlatego synteza antybiotyków w formie nano ułatwia penetrację antybiotyków do głębokiej warstwy śluzu i poprawia skuteczność bakteriobójczą wobec H. pylori.

Aby poprawić skuteczność takich metod terapeutycznych, opracowano systemy dostarczania antybiotyków specyficzne dla danego miejsca w celu zlokalizowanego leczenia zakażeń H. pylori w żołądku. Podjęto kilka prób opracowania systemów dostarczania antybiotyków w kwaśnym środowisku żołądka. Z tego powodu wybraliśmy również pH 4 jako kwaśne medium w celu poprawy stabilności leku. Amoksycylina (penicylina „-amino-hydroksy-benzylowa) jest półsyntetycznym, doustnie wchłanianym antybiotykiem o szerokim spektrum działania. Antybiotyk ten jest szeroko stosowany w standardowym leczeniu eradykacyjnym zakażenia żołądka H. pylori, a zastosowanie nanosyntezy pozwoli na uzyskanie większej penetracji leku, a tym samym wyższej skuteczności bakteriobójczej27.

Idealni kandydaci do opatrywania ran zakaźnych powinni w wystarczającym stopniu dostarczać wysokie stężenia antybiotyków do miejsca rany; naśladować strukturę i funkcję biologiczną natywnych białek macierzy zewnątrzkomórkowej, które zapewniają wsparcie i regulują czynności komórkowe; utrzymywać normalny stan zróżnicowania w obrębie przedziału komórkowego; być biokompatybilni i/lub biodegradowalni; i nie mieć negatywnego wpływu na otaczające tkanki69. W oparciu o te czynniki, głównym celem i zasadniczym etapem gojenia się ran jest zapobieganie infekcji poprzez zastosowanie antybiotyków o szerokim spektrum działania i bakteriobójczych, w szczególności takich, jak te zastosowane w naszym badaniu. Ponadto, umieszczenie antybiotyków o szerokim spektrum działania i bakteriobójczym działaniu na nanomateriałach pomaga tym lekom osiągnąć większą siłę penetracji wewnątrz wywołanej rany lub owrzodzenia. W skali międzynarodowej bakterie oporne na antybiotyki i bakterie wielolekooporne stanowią coraz większy problem kliniczny; bakterie te znaleziono w izolatach pochodzących od znacznego odsetka pacjentów z odleżynami, a nawet w warunkach środowiskowych51.

Innym mechanizmem, dzięki któremu uzyskano te wyniki, innym niż osiągnięta skuteczność przeciwdrobnoustrojowa, jest sam LDH, który pomaga poprawić skuteczność antybiotyków, ponieważ wodorotlenki warstwowe zostały uznane za unikalne nanonośniki do skutecznego dostarczania leków do komórek. Zdolność ta wynika z doskonałych właściwości LDH, zwłaszcza z unikalnej modyfikacji powierzchni uzyskanej dzięki ich korzystnym właściwościom jonowymiennym. Dodatkowo, dodatnio naładowane warstwy wodorotlenków warstwowych znacząco poprawiają efektywne dostarczanie leków do komórek. Ujemnie naładowana błona komórkowa uniemożliwia wnikanie leków o ładunku ujemnym. Poprzez włączenie leków anionowych do warstw wodorotlenków warstwowych, te leko-nanohybrydy o dodatnio naładowanych powierzchniach są w stanie prawidłowo wniknąć do komórki i zwiększyć komórkowe dostarczanie leków51,70,71. Zwiększając rozmiar cząstek warstw lub arkuszy LDH, zmniejsza się wychwyt komórkowy LDH, ale co ciekawe, zaobserwowano, że wychwyt komórkowy wszystkich rozmiarów wodorotlenków warstwowych jest zakończony w ciągu 15 minut dzięki mechanizmowi czasu retencji72,73,74. LDH mają dodatkową zaletę w dostarczaniu ujemnie naładowanych leków, ponieważ posiadają na swojej powierzchni ładunek dodatni netto, który ułatwia adsorpcję, jak również internalizację przez ujemnie naładowane błony biologiczne bez potrzeby dodatkowej modyfikacji/funkcjonalizacji, jak w przypadku innych materiałów. W ten sposób wielu badaczy sprzęgło różne ujemnie naładowane leki cytotoksyczne w przestrzenie LDH i z powodzeniem dostarczyło je do komórek z kontrolowanymi właściwościami uwalniania75,76.

Podsumowując, nanokompozyty doksycyklina-amoksycylina opracowane w tym badaniu (tj. Mg/Al LDH) mają wielkie perspektywy w leczeniu ran (maści) w krótszym czasie i w zapobieganiu owrzodzeniom (dawkowanie doustne). Konwersja leków przeciwdrobnoustrojowych, zwłaszcza antybiotyków, do postaci leków w nanoskali umożliwia im nabycie nowych właściwości, takich jak aktywność w gojeniu ran i zapobieganiu owrzodzeniom, na drodze znacznie lepszej niż w przypadku standardowo stosowanych leków. Zdolność ta jest realizowana poprzez zapobieganie infekcjom dzięki większej sile penetracji i wysokiej skuteczności wobec mikroorganizmów chorobotwórczych, które infekują otwarte rany lub uszkodzenia błony śluzowej i powodują opóźnienia w szybkości gojenia się infekcji oraz problemy zagrażające życiu.