Nikamavälilevydegeneraatiomalli ja biomateriaaliin perustuva antioksidanttiterapia

Antioksidanttisesti  toimivat polymeerikapselit estämässä oksidatiivista stressiä

LÄHDE:  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29258803

Acta Biomater. 2017 Dec 16. pii: S1742-7061(17)30770-5. doi: 10.1016/j.actbio.2017.12.014. [Epub ahead of print]

Antioxidant functionalized polymer capsules to prevent oxidative stress.

Larrañaga A¹, Isa ILM², Patil V², Thamboo S³, Lomora M², Fernández-Yague MA², Sarasua JR⁴, Palivan CG³, Pandit A⁵.

Tiivistelmä,
Polymeerikapseleilla on merkitsevää terapeuttista sovelluspotentiaalia  mikroreaktoreiden tapaan :  kiinnostuksen kohteena olevat biokemialliset reaktiot  voidaan niiden avulla  saada toimitettua tilavuudellisesti ja ajallisesti määritetyllä tavalla   kapsuloimalla jokin aktiivi biomolekyyli esim. entsyymi ja kontrolloimalla  reagenssien ja tuotteiden siirtymä kapselikalvon kautta.

 Abstract

• Polymeric capsules exhibit significant potential for therapeutic applications as microreactors, where the bio-chemical reactions of interest are efficiently performed in a spatial and time defined manner due to the encapsulation of an active biomolecule (e.g., enzyme) and control over the transfer of reagents and products through the capsular membrane. 

 Tässä työssä polymeerikapselit  kuormattiin katalaasientsyymillä, toiminnallistettiin tanniinihappopitoisella  ulkokerroksella ja työstettiin  kerros kerrokselta käyttämällä kalsiumkarbonaattia templaattina. Kun kapseleita oli toiminnallistettu tanniinihapolla, niillä oli suurempi   vetyperoksidia ja  hydroksyyliradikaalia pyydystävä ominaisuus, mikä viittasi siihen, että tanniinihappopitoinen ulkokerros  omasi luontaisia  antioksidanttia ominaisuuksia ja edustaa  pätevää strategiaa  kehitettyjen kapseleiden  yleisen anioksidanttisuuden  lisäämisessä.

• In this work, catalase loaded polymer capsules functionalized with an external layer of tannic acid (TA) are fabricated via a layer-by-layer approach using calcium carbonate as a sacrificial template. 
• The capsules functionalised with TA exhibit a higher scavenging capacity for hydrogen peroxide and hydroxyl radicals, suggesting that the external layer of TA shows intrinsic antioxidant properties, and represents a valid strategy to increase the overall antioxidant potential of the developed capsules. 

Lisäksi  kapseleitten  vetyperoxidia pyydystävä kyky lisääntyi kapseliin ladatun katalaasin vaikutuksesta.  Kapselit  ehkäisevät oksidatiivista stressiä in vitro  välilevydegeneraatiotaudin tulehdusmallissa.  Lisäksi  polymeerikapseleiden läsnäollessa heikkeni välilevyjen  pääasiallisten proteiineja hajoittavien entsyymien määrä eli   MMP-3 ( matrixmetalloproteinaasi-3):n  ADAMTS-5 entsyymien ilmenemä  väheni. Tässä esitetty  teknologia   antaa mahdollisuuksia oksidatiivisen stressiin  aolentamiseen, sillä oksidatiivinen stressi on avainasemassa oleva  modulaattori  hyvin monen inflammatorisen taudin patologiassa.

• Additionally, the hydrogen peroxide scavenging capacity of the capsules is enhanced in the presence of the encapsulated catalase. The capsules prevent oxidative stress in an in vitro inflammation model of degenerative disc disease. Moreover, the expression of matrix metalloproteinase-3 (MMP-3), and disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motif-5 (ADAMTS-5), which represents the major proteolytic enzymes in intervertebral disc, are attenuated in the presence of the polymer capsules. This platform technology exhibits potential to reduce oxidative stress, a key modulator in the pathology of a broad range of inflammatory diseases.

Mikä merkitys  tällä tutkimustyöllä on?  

Oksidatiivinen stressi vaurioittaa tärkeitä solustruktuureita ja johtaa solujen ohjelmoituun kuolemaan ja  vanhentumisilmiöihin, lukuisiin  tautipatologioihin kuten syöpään, hermosolujen degeneroitumiseen tai osteoartriittiin.  Sen takia on  kasvavaa mielenkiintoa  biomateriaaliin perustuviin  oksidatiivista stressiä kontrolloiviin  järjestelmiin. Tässä tutkimustyössä  on käytetty tärkeitä reaktiivisia happilajeja (H2O2, OH.) tehokkaasti  pyydystävänä keinona  katalaasilla kuormattuja, tanniinihapolla katettuja  polymeerikapseleita  ja täten  voitu moduloida  extrasellulaarisen matrixin aktiivisuutta  nucleus pulposus-tulehduksen in vitro mallissa.

• STATEMENT OF SIGNIFICANCE:
• Oxidative stress damages important cell structures leading to cellular apoptosis and senescence, for numerous disease pathologies including cancer, neurodegeneration or osteoarthritis. Thus, the development of biomaterials-based systems to control oxidative stress has gained an increasing interest. Herein, polymer capsules loaded with catalase and functionalized with an external layer of tannic acid are fabricated, which can efficiently scavenge important reactive oxygen species (i.e., hydroxyl radicals and hydrogen peroxide) and modulate extracellular matrix activity in an in vitro inflammation model of nucleus pulposus. The present work represents accordingly, an important advance in the development and application of polymer capsules with antioxidant properties for the treatment of oxidative stress, which is applicable for multiple inflammatory disease targets.

Copyright © 2017 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

KEYWORDS:

Enzyme encapsulation; Intervertebral disc; Layer-by-layer; Oxidative stress; Polymer capsules

PMID:

29258803

DOI:

10.1016/j.actbio.2017.12.014