Inkorporácia enkapsulovaných antibakteriálnych nanočastíc do kožných krytov pre hojenie infikovaných rán

Incorporation of encapsulated antibacterial nanoparticles into wound dressings for healing of infected wounds

abstract

Slovak

Regeneratívna medicína je rýchlo sa rozvíjajúca multidisciplinárna vedecká oblasť, ktorá sa zaoberá regeneráciou a nahradením poškodeného tkaniva. Využíva biokompatibilné materiály, nanomateriály, bunečné terapie a ďalšie pokrokové technológie, samostatne alebo vo vzájomnej kombinácii. Nanočastice sa v posledných rokoch stávajú veľmi populárnymi, najmä pre ich špecifické vlastnosti, napríklad antibakteriálnu aktivitu. Samotné nanočastice majú nízku stabilitu doprevádzanú určitou mierou toxicity vo fyziologickom prostredí. Jednou z možností riešenia tohto problému je enkapsulácia, ktorá zvýši ich stabilitu, biokompatibilitu a umožní ich riadené uvoľňovanie. Antibakteriálne vlastnosti niektorých nanočastíc je možné využiť pri liečbe chronicky infikovaných rán. Pri liečbe chronicky infikovaných rán pomocou tradičných antibiotík, často dochádza k adaptácii mikroorganizmov na ich prítomnosť. Mikroorganizmus je schopný si vyvinúť sekundárnu antibakteriálnu rezistenciu tým a toto antibiotikum sa tak stáva neefektívnym. Výhodou antibakteriálnych nanočastíc je ich schopnosť napádať viaceré oblasti mikroorganizmu naraz, čo spôsobí, že mikroorganizmus nie je schopný reagovať zmenou protektivného mechanizmu a teda nie je schopný si vyvinúť rezistenciu. V tejto práci boli procesom lyofilizácie pripravené porézne kryty rán, zložené z kolagénu a karboxymethylcelulózy, do ktorých boli inkorporované enkapsulované antibakteriálne nanočastice. Kolagén ako hlavná zložka dermis, podporuje proces granulácie a reepitelizácie rán, preto sa hojne využíva pri výrobe krytov rán. Ďalšou zložkou je karboxymethylcelulóza, ktorá vďaka svojmu hydrofilnému charakteru podporuje mokré hojenie a v rámci tejto aplikácie napomáha prestupu enkapsulovaných nanočastíc do celého objemu pripravených krytov rán. Využitie biogénnych prvkov pri tvorbe antibakteriálnych nanočastíc zvyšuje biokompatibilitu daného materiálu, príkladom takéhoto prvku je meď. Meď ako biogénny prvok s preukázaným antibakteriálnym účinkom, zastáva v ľudskom tele funkciu kofaktoru enzýmu lysyloxidázy, ktorý je zodpovedný za tvorbu priečnych väzieb v kolagéne a elastíne. Enkapsuláciou medených nanočastíc do biopolymerných obalov sa zvýši stabilita a zníži sa cytotoxicita. Výsledkom tejto práce sú dva možné postupy inkorporácie medených nanočastíc do krytov rán s optimálnym zložením. Týmto spôsobom bolo zaistené postupné uvoľňovanie medi do organizmu. Testy antibakteriálnej aktivity preukázali najvyššiu účinnosť materiálu voči gram-negatívnej Escherichii coli. Inkorporácia enkapsulovaných častíc medi do kolagén-karboxymethylcelulózových krytov rán umožní rýchlejšie a efektívnejšie hojenie chronicky infikovaných rán, akými sú napríklad diabetické gangrény.

Regenerative medicine is a rapidly developing multidisciplinary scientific field that deals with the regeneration and replacement of damaged tissue. It utilizes biocompatible materials, nanomaterials, cell therapies, and other advanced technologies, alone or in combination with each other. Nanoparticles have become very popular in recent years, especially for their advantageous properties, such as antibacterial activity. The nanoparticles themselves have a low stability accompanied by a certain degree of toxicity in the physiological environment. One of the options for solving this problem is encapsulation, which will increase their stability, biocompatibility, and enable their controlled release. The antibacterial properties of some nanoparticles can be used in the treatment of chronically infected wounds. When treating chronically infected wounds with traditional antibiotics, microorganisms are often able to adapt to their presence. The microorganism can develop secondary antibacterial resistance and thus this antibiotic becomes ineffective. The advantage of antibacterial nanoparticles is their ability to attack several areas of the microorganism at once, which causes the microorganism to be unable to react by changing the protective mechanism, and therefore unable to develop resistance. In this work, porous wound dressings composed of collagen and carboxymethylcellulose were prepared by the lyophilization process, followed by the incorporation of encapsulated antibacterial nanoparticles. Collagen, as the main component of the dermis, supports the granulation and reepithelization of wounds; therefore, it is widely used in the production of wound dressings. Another component is carboxymethylcellulose, which, because of its hydrophilic character, supports wet healing and, in this application, helps the penetration of encapsulated nanoparticles into the entire volume of prepared wound dressing. The use of biogenic elements in the preparation of antibacterial nanoparticles increases the biocompatibility of the given material; an example of such an element is copper. As a biogenic element with proven antibacterial effect, copper acts as a cofactor of the enzyme lysyloxidase in the human body, which is responsible for the formation of cross-links in collagen and elastin. The encapsulation of copper nanoparticles in biopolymer capsules increases stability and reduces cytotoxicity. The results of this work are two possible procedures for incorporating copper nanoparticles into wound dressings with an optimal composition. This way, the gradual release of copper into the body was ensured. Antibacterial activity tests showed the highest efficiency of the material against gram-negative Escherichia coli. The incorporation of encapsulated copper particles into collagen-carboxymethylcellulose wound dressings will enable faster and more effective healing of chronically infected wounds, such as diabetic gangrene.

Regeneratívna medicína, medené nanočastice, kolagén, hojenie infikovaných rán, dopamín, kyselina triesľová, antibakteriálne nanočastice

Regeneratívna medicína, medené nanočastice, kolagén, hojenie infikovaných rán, dopamín, kyselina triesľová, antibakteriálne nanočastice

POLÁKOVÁ, V.; DORAZILOVÁ, J.; BRTNÍKOVÁ, J.; ŠMERKOVÁ, K.; FIALOVÁ, T.; KOŠARIŠŤANOVÁ, L.; VOJTOVÁ, L.

13. 9. 2022

České vysoké učení technické v Praze

Praha

978-80-01-07023-9

Biomateriály a jejich povrchy XV.

1.

79

80

92

https://www.irsm.cas.cz/ext/biomaterialy/