pH-responsive Polyglycerol-Nanogele zur Behandlung von Parodontitis durch antibakterielle und pro-angiogenetische Wirkung

Parodontitis ist eine der häufigsten chronischen Erkrankungen des Menschen, welche meist durch eine bakterielle Infektion hervorgerufen wird, und schnell voranschreitet. Sie beginnt mit der Bildung von Zahnfleischtaschen und führt über eine Geweberesorption letztendlich zum endgültigen Zahnverlust.¹ Die chronische Entzündung, die durch Parodontitis verursacht wird, kann zudem mit verschiedenen systemischen Erkrankungen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes mellitus und dem Koronarsyndrom in Zusammenhang gebracht werden.² Der aktuelle Stand der Technik für die primäre klinische Behandlung von Parodontitis umfasst die nicht-chirurgische Entfernung von Zahnstein und Plaque von der Parodontaloberfläche, gefolgt von einer systemischen Antibiotikatherapie.³ Allerdings begünstigt die dynamische Natur unserer Mundumgebung, wie zum Beispiel der ständige Speichelfluss und die intensive Bewegung beim Schlucken, dass sich Bakterienkolonien in bisher unbehandelten, schwer zugänglichen Bereichen ansiedeln und in bereits behandelte Bereiche übertreten, was schließlich zu einem Wiederauftreten der Parodontitis führt.⁴ Der Schlüssel zur Heilung der Parodontitis liegt darin, gesundes Zahnfleischgewebe wiederherzustellen, um das Risiko einer bakteriellen Infektion zu verringern und das Ausmaß der Entzündung zu senken.⁵ Dies erfordert eine Kombination aus antimikrobiellen Mitteln und pro-angiogenetischen Medikamenten in der Phase nach der Wunddebridement-Behandlung. Aufgrund der schlechten Bioverteilung und der unzureichenden Verweildauer⁶ der Medikamente am Wirkort wird jedoch häufig eine hohe Dosis verordnet. Diese Praxis birgt potenzielle Risiken, einschließlich einer verlängerten Behandlung, der Aktivierung entzündungsfördernder Mediatoren und einer Arzneimittelresistenz.⁷ Zahlreiche lokale Wirkstofftransporter (LDDS) wurden entwickelt, um diese Risiken zu verringern, indem die lokale Wirkstoffkonzentration reguliert und unerwünschte Reaktionen minimiert werden.^{6b, 8} Die LDDS ermöglichen den Einsatz neuer Medikamentenkategorien für die lokale Parodontaltherapie, insbesondere für wasserunlösliche Arzneimittel mit schlechter Absorption, wie zum Beispiel Chlorhexidin.⁹ Unter den kürzlich berichteten LDDS gewinnen Nanopartikel zunehmend an Bedeutung, da sie aufgrund ihrer hervorragenden Flexibilität, Zielgerichtetheit und Biokompatibilität großes Potenzial bieten.¹⁰ Darüber hinaus können die Nanopartikel in Bezug auf ihre Beladungskapazität, Zielgerichtetheit, Reaktionsfähigkeit auf spezifische Reize, kontrollierte Freisetzungsdynamik und weitere Eigenschaften optimiert werden.¹¹ Triclosan (TCS), ein antimikrobieller Wirkstoff mit breitem Wirkspektrum, wurde für die Verwendung in Mundpflegeprodukten zugelassen, um die Plaquebildung zu verhindern oder zu verringern.¹² TCS ist jedoch eine kristalline Verbindung und schlecht wasserlöslich, was nicht nur die Wirksamkeit einschränkt, sondern den Einsatzbereich begrenzt. Deferoxamin (DFO) ist ein bakterielles Siderophor, das aus dem Kulturmedium von Streptomyces pilosus extrahiert wird. Es konnte mehrfach gezeigt werden, dass DFO die Angiogenese fördert, indem es die Expression sowohl des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF)¹³ als auch des Hypoxie-induzierbaren Faktors-1α (HIF-1α)¹⁴ aktiviert, wodurch Gewebereparatur und Wundheilung unterstützt werden.¹⁵ Noch wichtiger ist, dass das Gefäßsystem eine entscheidende Rolle bei der Knochenreparatur und -funktion spielt, indem es Nährstoffe, Mineralien und osteogene Vorläufer liefert.¹⁶ Die kombinierte Abgabe von Antibiotika und pro-angiogenetischen Mitteln stellt daher eine einfache Strategie dar, um eine zufriedenstellende therapeutische Wirksamkeit zu erzielen und ein Wiederauftreten zu verhindern. Es ist jedoch eine praktische Herausforderung, eine einzelne Plattform zu entwickeln, die sowohl in der Lage ist, mehrere Wirkstoffe mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften aufzunehmen, als auch diese kontrolliert und unabhängig voneinander freizusetzen und dabei gleichzeitig ihre primären Funktionen beizubehalten. Wir haben ein pH-responsives Nanogel-System auf Basis von linearem Polyglycerol entwickelt, das mit Vinylether-Acrylat (VEA) und Triethylammoniumchlorid (lPG-VEA-DEA) funktionalisiert wurde und sowohl TCS als auch DFO (NG-TCS-DFO) für die Behandlung von Parodontitis verkapseln kann. Wie in Schema 1 dargestellt ist, erfolgt die Selbstaggregation des synthetisierten lPG-VEA-DEA bei Temperaturerhöhung, wobei die thermisch induzierten Aggregate als Vorläufer für die Nanogel-Formulierung dienen. Diese Strategie schließt die Verwendung von organischen Lösungsmitteln aus und verbessert somit erheblich die Verträglichkeit des Systems. Um die unkontrollierte Freisetzung von TCS zu minimieren, haben wir TCS mit einer VEA-Gruppe modifiziert. Das reaktive TCS kann nun gemeinsam mit dem Nanogel vernetzt werden und wird bei einem pH-Wert von <6 durch Acetalspaltung in seiner ursprünglichen Form freigesetzt. Die therapeutischen Effekte von NG-TCS-DFO werden synergistisch erzielt, indem es aktiv an Bakterien bindet und die verkapselten Wirkstoffe kontinuierlich freisetzt. Im Rahmen dieser Studie haben wir die Größe und die Temperaturabhängigkeit der Aggregate einerseits und die Größe, das Zeta-Potential, die Morphologie und die Abbaukinetik des Nanogel-Komplexes andererseits charakterisiert. Weiterhin haben wir die antibakterielle Wirkung von NG-TCS-DFO in vitro gegen Bakterien sowohl im planktonischen Zustand als auch im Biofilm untersucht.

Die pro-vaskularisierende Wirkung von NG-TCS-DFO wurde in vitro durch die Bildung von Tubulistrukturen und die Migration von humanen Umbilikalvenen-Endothelzellen (HUVECs) ausgewertet. Abschließend zeigten wir in vivo, dass NG-TCS-DFO die Geweberegeneration und Knochenrekonstruktion induziert. Wir schlagen daher das neue Nanogel-System mit der kombinierten Abgabe von TCS und DFO als vielversprechenden Kandidaten für die potentielle Anwendung zur Behandlung von Parodontitis vor.

Wir haben pH-responsive Nanogele entwickelt, die mit Triclosan und Deferoxamin beladen sind, um die großen Herausforderungen bei der Behandlung von Parodontitis zu adressieren. Der resultierende Nanogel-Komplex, NG-TCS-DFO, zeigte eine überlegene Beladungseffizienz und eine anhaltende, Stimuli-abhängige Freisetzung. Die kombinierte Verkapselung von TCS und DFO verleiht dem NG-TCS-DFO zwei Funktionen: die Bekämpfung von Bakterien und die Förderung der Angiogenese. Das NG-TCS-DFO zeigte eine außergewöhnliche Effizienz sowohl gegenüber planktonischen Bakterien als auch gegen Biofilme. Wir konnten auch in vitro bestätigen, dass NG-TCS-DFO die Tubularisierung und Migration von HUVECs stärkte. Weiterhin zeigten wir in vivo, dass die Knochenregeneration und Gewebeerneuerung, durch NG-TCS-DFO bei C57BL/6-Mäusen stimuliert wurde. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass NG-TCS-DFO eine sichere, robuste und vielseitige Plattform für die Behandlung chronischer Parodontitis darstellt.

Guoxin Ma und Ke Xu haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen. Leixiao Yu und Rainer Haag haben das Konzept dieses Projekts entwickelt. Alle Autor*innen haben zur Erstellung dieses Manuskripts beigetragen. Die endgültige Version des Manuskripts wurde von allen Autor*innen genehmigt.

Die Autor*innen erklären, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.