Ny metod för sårprevention och sårläkning med hjälp av nanokompositer av doxycyklin och amoxicillin/LDH

Anti-Ulcerogenic effect of G1 (CNT), G2 (AMOX/LDH), G3 (AMOX), G4 (DOX/LDH), G5 (DOX), G6 (standard), and G7 (Mg AL) in rats. (n = 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).

Histopathological studies of the different treatment on stomach’s Ulcer in rats. (n = 3). Both AMOX/LDH and DOX/LDH revealed normal gastric structure with complete gastric protection from ulcer. Amoxicillin-, Doxycyklin- och kontrollgrupperna uppvisade allvarliga slemhinneskador med stor trängsel. Standard och Mg/Al visade ett bra slemhinneskydd med normal struktur.

Snabbt clearance och metabolism, instabilitet i de biologiska vätskorna, hög dosering, systemiska biverkningar och begränsad räckvidd till verkningsstället är de största nackdelarna med antimikrobiell användning37. System för läkemedelstillförsel med hjälp av nanoteknik är nu en mycket viktig modell för att öka läkemedlens terapeutiska effekt, aktiv eller passiv målinriktning, kontrollerad frisättning och eliminering av de systemiska läkemedelsbiverkningarna38. Såvitt vi vet är både doxycyklin och amoxicillin vanligt förekommande antimikrobiella läkemedel med brett spektrum för behandling av flera sjukdomar hos människor och djur. Inga tidigare studier har utförts om laddning av sådana läkemedel i LDH-nanokompositer (Layered Double Hydroxide) för att utforska nya tillämpningar. Det finns inte heller några tidigare uppgifter om sårläkning eller sårbehandling av DOX/LDH- eller AMOX/LDH-nanokompositer. Planen för denna studie omfattade två huvudmål enligt följande: Inkorporering av doxycyklin och amoxicillin i Mg/Al LDH i form av antimikrobiella nanokompositer, samt undersökning av deras förmåga till sårläkning och sårbehandling in vivo förutom screening av deras akuta toxicitet.

Layered double hydroxide (LDH) har visat sig ha stor betydelse som en ny modell för läkemedelsleveranssystem inom farmakologin på grund av deras säkerhet och låga toxicitet38.

I studien av akut toxicitet användes LD50 för att bestämma den akuta toxiciteten hos både DOX/LDH och AMOX/LDH-nanokompositerna. I DOX/LDH-nanokompositerna visade möss toxiska symtom och dödlighet med början vid 600 mg/kg kroppsvikt, och maximal dödlighet (LD100) uppnåddes vid 1600 mg/kg kroppsvikt. Däremot började dödligheten i AMOX/LDH-nanokompositerna vid 1 000 mg/kg kroppsvikt och den maximala dödligheten (LD100) uppnåddes vid 1 500 mg/kg kroppsvikt. LD50 för DOX/LDH var 1100, medan LD50 för AMOX/LDH var 1210. Båda ansågs således vara säkra läkemedel. Möss som behandlades med antingen DOX/LDH eller AMOX/LDH uppvisade inga toxiska symtom eller dödlighet efter behandling med normal dosering, vilket tyder på att läkemedlen är säkra att använda. Läkemedel eller material med ett LD50-värde på 1000 mg/kg b.wt. | anses vara säkra eller av låg toxicitet efter oral administrering39; därför anses både DOX/LDH och AMOX/LDH vara säkra läkemedel. På samma sätt anses LDH:er baserade på magnesium eller aluminium vara de säkraste nanomaterialen för läkemedelstillförsel och de minst toxiska jämfört med andra LDH-typer40. Därför används LDH i stor utsträckning som nanomaterialbärare för system för läkemedelsleveranser eller andra ämnen, t.ex. proteiner eller gener41.

Nanoteknik uppvisar stor lämplighet när det gäller att förbättra behandling av sårläkning. Nanometerskalan har öppnat vägen för utvecklingen av nya material för användning i mycket avancerad medicinsk teknik och för att återuppliva de multifunktionella nanotransportörernas målinriktningseffektivitet. Inkorporering av små läkemedelsmolekyler i nanopartiklar eller lager kan påverka deras säkerhet, biotillgänglighet och effektivitet42. Läkemedels farmakokinetik och farmakodynamik påverkas i hög grad av nanotransportörernas storlek43.

Sårläkning är fortfarande ett utmanande kliniskt problem som kräver effektiv sårhantering och sårvård. Dessutom är effektiv reparation av sår och vävnader fortfarande en stor utmaning för hälso- och sjukvården och biomedicin på 2000-talet. Infekterade eller kroniska sår leder ofta till förlust av liv genom förlust av förmågan att utföra önskad funktion och ökad smärta, och är dessutom en belastning för hälso- och sjukvårdsystemets resurser1, så sökandet efter metoder eller läkemedel som kan bidra till att påskynda sårläkningsprocessen och förkorta perioden för sårens fullständiga återhämtning skulle avslöja en terapi av stor betydelse. Procentuell läkning och sårets stängningsstorlek under 22 dagar användes som en markör för sårläkningsaktivitet vid sidan av de histopatologiska fynden. Efter topisk applicering visade DOX/LDH-nanokompositerna en snabb och fullständig sårläkningsprocess på kortare tid, liksom AMOX/LDH-nanokompositerna, och bättre än enbart fria läkemedel och den obehandlade gruppen. På samma sätt visade DOX, AMOX, LDH (Mg/Al) och standardgruppen god läkningsaktivitet men under längre tidsperioder än DOX/LDH och AMOX/LDH nanokompositer salva. Den goda läkningsaktiviteten hos DOX/LDH- och AMOX/LDH-nanokompositerna kan tillskrivas den goda sårpenetrationsförmågan hos nanomaterialet med de antimikrobiella ämnena. Den främsta orsaken till oläkta sår är bakterieinfektioner44 , och därför används Doxycyklin och Amoxicillin som bredspektrumantibiotika mot grampositiva och gramnegativa bakterier för att laddas på LDH-nanomaterialet. Staphylococcus är en av de vanligaste bakteriella patogenerna som ansvarar för majoriteten av sårinfektioner och anses vara en av de viktigaste orsakerna till sjukhusförvärvade infektioner. Svaga antimikrobiella medel eller medel med dålig invasionsförmåga kan leda till bakteriemi, sepsis och/eller toxiskt chocksyndrom45. Den goda penetrationsförmågan hos både Doxycyklin och Amoxicillin till sårområdet genom nanomaterialen förhindrar förekomsten av bakterieinfektioner och bidrar till att påskynda såråterhämtningsprocessen med fullständig pälsbildning och utan förekomst av skorv.

Histopatologiska fynd visade att nanokompositerna av Amoxicillin och Doxycyklin uppvisade snabb sammandragning, vilket är mycket viktigt för en snabb sårförslutning, särskilt för djur med förlorad hud (mus, råtta). Re-epitelisering var ett gemensamt stadium för alla djur under sårläkningsprocessen och kontakt epitelyta46.

Nanopartiklar förbättrade aktiviteten hos bärarmaterialen såsom läkemedel på grund av deras stora yta-till-volymförhållande. Dessutom ökar effekten av den antimikrobiella aktiviteten hos doxycyklin och amoxicillin vid användning av LDH Nano lager47. Både magnesium- och aluminiumjoner i LDH har antimikrobiell aktivitet och fungerar som fria radikaler för ROS (Reactive Oxygen Species). Oxidativ stress leder dessutom till en ökad ROS-produktion och skjuter även upp de cellulära processer som är involverade i sårläkning. Följaktligen bidrar Mg/Al till att få en god läkningsaktivitet på kortare tid48.

Den främsta orsaken till slemhinnans oläkta sår är bakterieinfektion som leder till gastrointestinala sår (GIU), som huvudsakligen orsakas av Helicobacter pyloriis-bakterier hos vuxna och barn över hela världen. Att behandlingen med tillräcklig antibiotikakoncentration misslyckas beror på att H.pyloriis lever under magslemhinnan och stödjer magepitelet5. Nanopartiklar laddade med antibiotika har visat sig vara effektiva vid behandling av gastrointestinala infektioner eftersom deras små partiklar fäster effektivt på magslemhinnan och verkar väl mot de bakterier som lever där7. På grundval av detta visade både DOX/LDH- och AMOX/LDH-nanokompositbehandlade grupper en signifikant minskning av sårindexet eller svårighetsgraden av det inducerade såret efter 7 dagars behandling. Minskningen av sårinduktionen kan tillskrivas den perfekta vidhäftningen av Mg/Al-LDH-nanomaterialet på grund av deras ringa storlek, vilket senare möjliggör en kontrollerad frisättning av antibiotika. Den möjliga mekanismen för gastrointestinal skydd mot sår eller sår genom den såriga vävnaden, särskilt i magar som producerar stora mängder slem, vilket gynnar vidhäftning av små partiklar på grund av deras lilla massa. Dessutom ökar magsäcksinflammation produktionen av slem och fina partiklar fäster bättre49. På inflammationsstället slukar immunceller, såsom makrofager, små partiklar och laddar följaktligen antibiotikan som frigörs och ger lokala effekter50.

Därutöver uppvisade både de grupper som behandlades med Doxycyklin och Amoxicillin Antibiotika också en signifikant minskning av antalet magsår. Denna minskning kan tillskrivas deras antibakteriella aktivitet vid behandling av sår eller sår51. På samma grund visade Mg/Al LDH en minskning av antalet sår jämfört med obehandlade kontrollråttor. Denna minskning tyder på att skyddet av magsäcken orsakades av det skyddande skikt som bildades av Mg/Al LDH, som vanligen används som syrahämmande medel52. Sårsjukdomar som behandlades med LDH Nano-bärare i form av oral anti-syra och anti-pepsin bekräftade säkerheten och biokompatibiliteten hos detta Nano-leveranssystem, vilket också bekräftas av de histopatologiska fynden.

Såvitt vi vet finns det inga rapporterade tidigare studier som behandlar effekten av de antibiotika som nämns här ovan för behandling av sår eller sår, men det finns flera studier som visar på betydelsen av lokal antibiotikaadministrering för läkningstakten och förebyggande av infektioner. Numera har aktuell antimikrobiell behandling av sår eller sår blivit mer etablerad på grund av dess betydelse för läkningstakten. Läkningstiden är det viktigaste målet vid sårbehandling53. Vissa forskare har noterat en läkningsgrad på 83 % på 30 veckor54 medan andra har rapporterat att 62/90 (69 %) av venösa bensår hade läkt inom 12 veckor. Moffatt et al.55 fann att 70 % av de venösa såren läkte efter 48 veckors behandling; författarna noterade också att en stor del av bevisen för läkningsfrekvensen är hämtade från resultaten av randomiserade kontrollerade prövningar. Dessa prövningar uppnår vanligtvis 24 veckors läkningsfrekvenser på över 60 % för patienterna, men återspeglar kanske inte de komplexa problem som man ställs inför i den kliniska praktiken. På grund av dessa studier kommer omvandlingen av antibiotika till nanoform att ha en viktig effekt på läkningsgraden inom en kortare tid, som i vår studie.

Den huvudsakliga idén med den här studien kretsar kring topisk applicering av antibiotika med hög penetrationsförmåga och förlängd frisättningshastighet genom att ladda den på nanomaterial. Genom att applicera sådana antibiotika lokalt på sår förhindrar man infektioner som fördröjer läkningstakten, så att såren och sårens läkningsprocess tar kortare tid. Följaktligen fann vi att tillsättning av antibiotika påskyndar läkningsprocessen och förkortar läkningstiden genom att förhindra infektioner.

Fördelarna med topikal behandling är bland annat att man kan leverera en hög lokal koncentration med små doser av medlet, även hos patienter med ischemi i lemmarna, för att undvika förstapassagerande effekt i mag-tarmkanalen, samt minska riskerna för systemiska biverkningar. Med topiska formuleringar kan man uppnå mycket höga lokala koncentrationer56. Dessutom är enbart utrotning eller minskning av mikroorganismer i såret inte en tillräcklig slutpunkt för läkemedels effektivitet57 utan beror också främst på deras penetrationsförmåga och dess effekt. Slutligen finns det inga kliniska data som stöder användningen av topisk antibiotikabehandling för att förebygga återkommande sårinfektioner. Alla öppna sår koloniseras av mikroorganismer som i allmänhet påverkar läkningsprocessen. Om koloniseringen utvecklas till en lokal infektion, som följaktligen blir systemisk, kan resultatet dock vara livshotande. Därför omfattar sårvård inte bara rengöring, debridering och behandling av den underliggande etiologin utan även åtgärder för att förebygga sannolikheten för att koloniserade sår blir lokalt, eller till och med systemiskt, infekterade58. Det har visats att lokala antibiotikabehandlingar spelar en roll för att främja läkning, även om behandlingen av den underliggande etiologin fortfarande är av avgörande betydelse59. Lokala faktorer som kan fördröja läkningen är bland annat antalet bakterier som finns på sårytan60. Dessutom fungerar både magnesium- och aluminiumhydroxid i huvudsak som antacida medel genom magsäcksbeläggningen61. Dessutom spelar amoxicillin en roll mot Helicobacter-bakterier och uppvisar samma bredspektrumaktivitet som doxycyklin. Alla dessa faktorer är de viktigaste skälen till att välja sådana material för att utvärdera deras aktivitet vid sår- och sårläkning.

Användning av antibiotika vid alla skador (sår eller sår) är den viktigaste behandlingen för snabb läkning på kortare tid. Detta sker genom infektionsförebyggande åtgärder som är den främsta orsaken till att sår- eller sårläkningen fördröjs. Eftersom infektion är en vanlig orsak till dålig sårläkning. Följaktligen är en betydande minskning av antalet bakterier viktig för hanteringen av antingen akuta eller kroniska sår, särskilt bakterietillväxten som hämmas inuti inducerade eller öppnade sår genom att pH-värdena sänks62. Induktion av sårytor sänker pH-värdet på de infekterade ytorna och skapar en olämplig miljö för bakteriernas tillväxt och förökning. Dessutom kan pH-värdet i ett sår dessutom påverka effektiviteten av antibiotika och antiseptika63. pH kan modulera antibiotikans effektivitet och framgång, vilket kan förändra bakteriernas metaboliska tillstånd23 , vilket gör det möjligt för bakterietillväxt och förvärvad resistens att uppstå. Till exempel minskar flera antibiotika och silverantiseptikas effektivitet i sura miljöer, vilket också är det gynnsamma mediet i vår studie64.

Antibiotikas huvudsakliga roll vid sårläkning är att hämma tillväxten av läkemedelsresistenta bakterier och främja läkning i en sårmodell för gnagare65. Både amoxicillin och doxycyklin uppfyller dessa roller som bredspektrum- och bakteriedödande antibiotika som hjälper till att förhindra bakterietillväxt och hjälper sår och sår att läka inom en kort tidsperiod. De nanopartiklar som implementerades i den här studien uppvisade således mycket högre antibakteriell potens mot gramnegativa och grampositiva bakterier eftersom de ökade penetrationsförmågan i bakteriens cellvägg eller membran. Den förstärkta hämmande effekten jämfört med den av enbart det normala antibiotikumet berodde på de konstruerade nanopartiklarnas förmåga att sönderdela bakteriemembranet. Dessa nanopartiklar påskyndade läkningen av sår och sår genom att reglera inflammation och angiogenes. Dessutom möjliggjorde de en ökning av hudens absorptionsförmåga hos nanoblandningen.

De flesta av dessa nanopartikelbärare, till exempel LDH, har använts för leverans av terapeutiska medel med antibakteriella egenskaper, och de har undersökts som Nano-bärare av sårläkningsläkemedel, som valts utifrån sårens behov13. Dessa nanodragare underlättar läkemedelstillförsel, eftersom de främjar celltillväxt, påskyndar kutan sårläkning och minskar ärrbildning66.

I synnerhet lever H. pylori djupt inne i magslemhinnan, och långvarig lokal läkemedelstillförsel krävs för tillräcklig diffusion till bakterierna67. Inget enskilt antibiotikum är effektivt för att utrota H. pylori när det administreras in vivo. Behandlingen av en sådan infektionssjukdom i magsår kräver vanligtvis en trippelbehandling som omfattar antibiotika, antibakteriella medel och protonpumpshämmare. Om en enda antibiotikabehandling misslyckas kan det bero på läkemedlets dåliga stabilitet i magens sura pH-värde, antibiotikans dåliga permeabilitet genom slemskiktet eller tillgången till subterapeutiska antibiotikakoncentrationer på infektionsstället efter oral administrering i en konventionell doseringsform68. Syntesen av antibiotika i nanoform hjälper därför antibiotikan att tränga in i det djupa slemhinneskiktet och förbättrar den bakteriedödande effekten mot H. pylori.

För att förbättra effektiviteten hos sådana terapeutiska metoder har platsspecifika system för tillförsel av antibiotika utvecklats för lokaliserad behandling av H. pylori-infektioner i magsäcken. Vissa försök har gjorts för att utveckla lokaliserade system för antibiotikaöverföring i den sura miljön i magsäcken. Av denna anledning valde vi också pH 4 som ett surt medium för att förbättra läkemedelsstabiliteten. Amoxicillin (”-amino-hydroxy-benzylpenicillin) är ett halvsyntetiskt, oralt absorberat antibiotikum med brett spektrum. Antibiotikan används i stor utsträckning i standardbehandlingen av H. pylori-infektioner i magsäcken, och med hjälp av nanosyntes kan man uppnå större läkemedelsgenomträngning och därmed högre bakteriedödande effektivitet27.

Ideala kandidater för förband av infektiösa sår bör i tillräcklig utsträckning leverera höga koncentrationer av antibiotika till sårstället, efterlikna strukturen och den biologiska funktionen hos naturliga proteiner i den extracellulära matrisen, som ger stöd och reglerar den cellulära aktiviteten, bibehålla det normala differentieringstillståndet inom cellutrymmet, vara biokompatibla och/eller biologiskt nedbrytbara och inte ha några negativa effekter på den omgivande vävnaden69. På grundval av dessa faktorer är huvudmålet och det viktigaste steget för sårläkning att förhindra infektion genom användning av framför allt bredspektriga och bakteriedödande antibiotika, såsom de som användes i vår forskningsstudie. Dessutom bidrar laddningen av bredspektrum- och bakteriedödande antibiotika på nanomaterial till att läkemedlen uppnår större penetrationsförmåga inne i det framkallade såret eller såret. Internationellt sett ökar antibiotikaresistenta bakterier och multiresistenta bakterier som ett kliniskt problem; dessa bakterier har hittats i isolat från en betydande andel patienter med trycksår och även i samhällsmiljöer51.

En annan mekanism genom vilken dessa resultat uppnåddes, förutom den antimikrobiella effekt som uppnåddes, är genom LDH i sig självt, vilket bidrar till att förbättra den antibiotiska effekten, eftersom skikthydroxider har betraktats som unika nanobärare för effektiv cellulär leverans av läkemedel. Denna förmåga beror på LDH:s utmärkta egenskaper, särskilt den unika ytmodifiering som uppnås tack vare deras gynnsamma jonbytesegenskaper. Dessutom förbättrar de positivt laddade skikten i skikthydroxiderna avsevärt den effektiva cellfördelningen av läkemedel. Cellernas negativt laddade membran hindrar läkemedel med negativ laddning från att tränga in. Genom att införliva anjoniska läkemedel i skikthydroxidskikten kan dessa läkemedelsnanohybrider med positivt laddade ytor ta sig in i cellen på ett korrekt sätt och förbättra den cellulära leveransen av läkemedel51,70,71. Genom att öka partikelstorleken på LDH-skikten eller -skikten minskar det cellulära upptaget av LDH, men intressant nog har det observerats att det cellulära upptaget av alla storlekar av skikthydroxider avslutas inom 15 minuter genom retentionstidsmekanismen72,73,74. LDH:er har en extra fördel när det gäller att leverera negativt laddade läkemedel eftersom de bär en positiv nettoladdning på sin yta som underlättar adsorption samt internalisering genom de negativt laddade biologiska membranen utan behov av ytterligare eftermodifiering/funktionalisering, som i fallet med andra material. Således har många forskare konjugerat en mängd olika negativt laddade cytotoxiska läkemedel i LDH:s mellanrum och framgångsrikt levererat dem till celler med kontrollerade frisättningsegenskaper75,76.

Slutsatsen är att de doxycyklin-amoxicillin-nanokompositer som utvecklades i den här studien (dvs. Mg/Al LDH) har stora utsikter för behandling av sår (salvor) på kortare tid och för sårprevention (oral dosering). Omvandling av antimikrobiella läkemedel, särskilt antibiotika, till läkemedel i nanoskala gör det möjligt för dem att få nya egenskaper, t.ex. sårläkningsaktivitet och sårprevention, genom en mycket bättre väg än för de standardläkemedel som används. Denna förmåga förverkligas genom förebyggande av infektioner via högre penetrationsförmåga och hög effektivitet mot patogena mikroorganismer som infekterar öppna sår eller slemhinneskador och orsakar fördröjningar i läkningshastigheten av infektioner och livshotande problem.