An innovative therapeutic approach for infected chronic wounds

Abstract

O processo de regeneração da pele é bastante complexo e ordenado e, quando não progride adequadamente, leva ao aparecimento de feridas crónicas. As feridas crónicas são referidas como uma "epidemia silenciosa", afetando significativamente a qualidade de vida dos pacientes e implicando enormes custos financeiros. Existe, portanto, uma necessidade premente no tratamento eficaz de feridas crónicas, especialmente as infetadas. Embora os antibióticos sejam fundamentais no tratamento de infeção, a sua administração convencional, na maioria sistémica, apresenta sérias limitações como a reduzida difusão na ferida e, por conseguinte, reduzida eficácia, e os efeitos adversos sistémicos. Os sistemas de libertação de fármacos podem ajudar a ultrapassar estas limitações, sendo uma alternativa às terapias convencionais. Neste trabalho, foram desenvolvidas duas formulações de sistemas poliméricos para a libertação tópica e controlada de antibióticos no tratamento de feridas crónicas infetadas de diferente etiologia, nomeadamente a infeção oportunista de feridas diabéticas por Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA), e a infeção primária por Mycobacterium ulcerans que causa a úlcera de Buruli. No modelo de infeção oportunista, a vancomicina e a clindamicina foram incorporadas em hidrogéis esponjosos de goma gelana (GG), enquanto no modelo de infeção primária, a rifampicina foi encapsulada em partículas de poli(hidroxibutirato-co-valerato), posteriormente incorporadas num hidrogel esponjoso de GG contendo estreptomicina. Ambas as formulações mostraram uma matriz porosa e interligada pela qual os antibióticos difundiram de forma controlada. A libertação controlada não afetou a atividade antibacteriana dos antibióticos, mas reduziu significativamente os efeitos citotóxicos dos antibióticos. Foi ainda otimizado um modelo de ratinho de feridas diabéticas infetadas por MRSA que apresentou características semelhantes à patofisiologia humana, através do qual foi testada a eficácia terapêutica dos hidrogéis esponjosos de GG contendo VAN e CLD. O tratamento com uma dose única destes hidrogéis permitiu reduzir a carga bacteriana das feridas, sem exacerbar a resposta inflamatória do hospedeiro. Embora seja ainda necessário otimizar as doses de antibióticos incorporados nas formulações poliméricas, bem como os modelos animais, as formulações desenvolvidas representam uma abordagem promissora para melhorar o tratamento de feridas crónicas infetadas.

Skin wound healing is a complex and orchestrated process, that when fails to progress at an orderly and timely fashion leads to chronic wounds. Chronic wounds have been referred as the “silent epidemic” given the significant impairment on patients’ quality of life and the major financial costs that they represent. Effectively addressing chronic wounds is urgent, even more when infection is present. Antibiotics are crucial for treating infected chronic wounds, but conventional therapies, often administered systemically, present several drawbacks, such as poor biodistribution, limited effectiveness and undesirable adverse effects. In this regard, drug delivery systems (DDS) have emerged as an alternative strategy allowing to circumvent the limitations of conventional therapy. In this work, we developed two polymeric DDS for the topical and controlled delivery of antibiotics targeting infected chronic skin wounds of different etiology, namely opportunistic methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA)-infected diabetic wounds and primary wounds caused by infection by Mycobacterium ulcerans, the causative agent of Buruli ulcer. For the opportunistic model, vancomycin (VAN) and clindamycin (CLD) were incorporated in a gellan gum (GG)-based spongy-like hydrogel, while for the primary infection by M. ulcerans, rifampicin was first encapsulated in poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) microparticles and then embedded in a streptomycin-loaded hydrogel of GG. Both formulations showed a porous and crosslinked network from which antibiotics were released by diffusion, in a controlled pattern. Importantly, the in vitro antibacterial activity of antibiotics was not compromised by the incorporation in the DDS, but their in vitro cytotoxicity was significantly reduced through the controlled release. We also optimized a diabetic mouse model of MRSA-infected wounds that resembled human pathophysiology, which was employed to test the in vivo therapeutic potential of VAN/CLD-loaded GG-based spongy-like hydrogels. A single treatment with these hydrogels not only led to a significant reduction in bacterial burden of wounds, as also did not exacerbate the host inflammatory response. Although further optimization is still required regarding the antibiotic dose in the polymeric DDS as well as the in vivo models of disease, the results herein obtained showed that the developed formulations represent a promising approach to improve localized treatment of chronic wound infections.