Les infections bactériennes pathogènes constituent une menace sérieuse pour la santé publique, en particulier dans les plaies chroniques et aiguës, où la colonisation bactérienne et la formation de biofilms rendent la cicatrisation des plaies plus difficile. Les thérapies à base d'oxygène réactif (ROS), qui ont l'avantage d'une activité antimicrobienne à large spectre et d'une faible résistance, sont devenues une stratégie non antibiotique pour le traitement des facettes infectieuses. Cependant, son utilisation clinique reste limitée par des problèmes tels qu'une administration inefficace, un mauvais ciblage bactérien et une inflammation incontrôlée après le traitement.

Pour ce faire, l'équipe du professeur riwei de la faculté de pharmacie de l'Université de Wuhan a conçu un patch multifonctionnel à deux couches de microaiguilles (LFT / S - Mn) conçu pour stériliser efficacement et favoriser la cicatrisation des plaies. Le patch combine des nanoparticules à base de Lactoferrine (NP LFT) chargées positivement avec des acoustosensibilisants à la porphyrine (tappfe) placés dans une couche basale soluble, tandis que le médicament anti - inflammatoire Spermidine (SPD) est chargé dans la couche de pointe sensible au pH. Lorsque la micro - aiguille est insérée dans le tissu infecté, les NP LFT libérés sont capables de cibler efficacement et d’agréger les bactéries chargées négativement, générant de grandes quantités de Ros par chimiodynamique synergique et thérapie sonodynamique (CDT / SDT) sous stimulation ultrasonore. Dans le même temps, le microenvironnement acide de la plaie déclenche une dégradation progressive de la couche pointue de l'aiguille, ce qui permet une libération contrôlée de SPD pour une immunomodulation. Dans un modèle murin de plaie infecté par P. aeruginosa, le patch LFT / S - Mn a significativement réduit la charge bactérienne, inhibé la réponse inflammatoire, favorisé le dépôt de collagène et la néovascularisation, et accéléré la fermeture de la plaie.

Ce travail propose une stratégie non antibiotique prometteuse pour la régénération antimicrobienne et tissulaire des plaies grâce à la cdt / SDT synergique et à la régulation de l'inflammation. Ce patch de micro - aiguilles utilise la technologie de microstéréolithographie par projection de surface de précision (pμsl) (microarch) ® S240， Précision: 10 μm) le moule d'usinage imprimé en 3D a été transformé en PDMS et les résultats de recherche ont été publiés dans la revue Journal of Controlled Release sous le titre « Three - in - one Bilayer microneedle patch for Ultrasound - activated Antibacterial Therapy and immune modulation in Wound Healing ». Jiang Peng, étudiant au doctorat de niveau 2023 à la faculté de pharmacie de l'Université de Wuhan, est l'auteur de la thèse, le professeur Liwei est l'auteur correspondant de la thèse et la faculté de pharmacie de l'Université de Wuhan est l'unité d'achèvement de la thèse, les travaux de recherche ci - dessus ont été soutenus par le projet du Fonds national des sciences naturelles et le financement Pi du Centre de médecine de la vie Taikang de l'Université de Wuhan.

Comme le montre la figure 1, le patch intègre dans une couche de base soluble des nanoparticules de Lactoferrine (LFT NP) chargées positivement couplées à un agent acoustique porphyrine (tappfe), ainsi qu'une couche pointue sensible au pH chargée en agent anti - inflammatoire Spermidine (SPD). Après l'insertion dans le tissu infecté, le Np LFT libéré cible et agrège efficacement les bactéries chargées négativement, produisant ainsi un Ros puissant par chimiodynamique synergique et thérapie sonodynamique (CDT / SDT) sous stimulation ultrasonore. Dans le même temps, le microenvironnement de la plaie acide déclenche une dégradation progressive de la couche pointue, avec une libération contrôlée de SPD pour l'immunomodulation. Dans un modèle murin de plaie infecté par Pseudomonas aeruginosa, le patch LFT / S - Mn a significativement réduit la charge bactérienne, inhibé l’inflammation, favorisé le dépôt de collagène et la néovascularisation, et accéléré la fermeture de la plaie.

Figure 1. Représentation schématique de la structure et du mécanisme de traitement du patch LFT / S - Mn pour le traitement des plaies infectées. (A) la conception et la préparation des patchs LFT / S - Mn bicouche sont constituées d'une couche de base soluble chargée de Np LFT à charge positive et d'une couche d'extrémité sensible au pH Encapsulant les SPD. (b) après l'insertion dans la surface faciale infectée, la couche basale se dissout rapidement pour libérer les NP LFT, qui ciblent activement les bactéries chargées négativement et produisent des ROS sous les États - Unis par SDT et cdt synergiques, permettant une élimination bactérienne efficace. Dans le même temps, le microenvironnement de la plaie acide déclenche la dégradation de la couche pointue, ce qui entraîne une libération continue de SPD pour la régulation de l'inflammation. Cette stratégie combinée favorise l'élimination bactérienne, l'immunomodulation et la régénération tissulaire, accélérant finalement la cicatrisation des plaies.

Afin d'atteindre la spécificité du site et de contrôler la libération du médicament, un patch mn bicouche pH - sensible appelé patch LFT / S - Mn a été préparé en utilisant une stratégie de séquençage. Pour la visualisation et la validation structurale, deux sondes fluorescentes, la Rhodamine B marquée sérum albumine bovine (RHB - BSA) et l'isothiocyanate de fluorescéine (FITC), ont été chargées respectivement sur la pointe et la couche basale des nanoparticules (figures 2a et b). La couche pointue a été synthétisée par Polymérisation radicalaire induite par UV et réticulation à base de Schiff entre le méthacrylate de chitosane (CSMA) et le spdta, la couche de base étant constituée d'une solution d'alcool polyvinylique (PVA) et de saccharose à 18% en poids et la couche de support étant constituée de polystyrène (PS) à 20% en poids. L'analyse par spectroscopie à rayons X dispersive d'énergie (eds) (figure 2c) montre que les éléments de fer des NP LFT sont répartis uniformément et confinés à la couche de base, tandis que les éléments de carbone de la couche pointue sont répartis uniformément, indiquant une séparation spatiale marquée. Le patch LFT / S - Mn obtenu est constitué d'un réseau 10x10 mn d'environ 0,5 cm 2 (figure 2d). Chaque aiguille présente une morphologie conique définie, d'environ 850 µm de hauteur, avec une structure bicouche prononcée (figures 2e et f). Les tests mécaniques ont montré une force de rupture d'environ 4n par aiguille (figure 2g), suffisante pour une insertion percutanée efficace et une application clinique potentielle.

Figure 2. Caractérisation du patch LFT / S - mn. Images représentatives en champ clair et en fluorescence de patchs (A - b) LFT / S - Mn illustrant l'intégrité structurale et le marquage Fluorescent des composants incorporés. (c) Le spectrogramme confirme la distribution des éléments au sein des mn. Les images (d) optiques et (E, f) SEM montrent la topographie des LFT / S - mn. La ligne pointillée jaune représente l'interface entre la couche pointue pH - responsive et la couche de base soluble. (g) La courbe force - déplacement du LFT / S - mns, indiquant que sa résistance mécanique convient à la pénétration cutanée.

La capacité de pénétration cutanée du patch LFT / S - Mn a été évaluée avec une peau de porc isolée. Après application, les mns ont réussi à percer le Stratum Corneum et à délivrer le colorant Fluorescent encapsulé dans la peau, comme le montre l'imagerie par fluorescence (Figure 3A), confirmée par une coupe histologique (figure 3b). Le comportement de dissolution et la libération subséquente des NP LFT ont été observés par microscopie à fluorescence. Comme le montre la figure 3c, la couche de base est dissoute dans du PBS (pH 7,4) en 80 secondes, ce qui favorise la libération rapide des NP LFT de la base mn. Étant donné que le microenvironnement de la plaie infectée est généralement acide, les auteurs ont étudié plus en détail le comportement pH - réactif de la pointe mn. Les études de libération in vitro montrent que la couche pointue se dégrade progressivement dans des conditions légèrement acides (pH 5,6) et se décompose presque au jour 15, tandis qu'une dégradation minimale se produit dans des conditions neutres (pH 7,4) (figure 3D), indiquant le comportement sensible à l'acide de la couche pointue. Détermination quantitative de l'efficacité du chargement et de la livraison des médicaments (figures 3e et f). La TfL était de 145,43 ± 2,76 μg et la DSP de 14,96 ± 0,08 μg. Après administration cutanée, la LFT a été administrée à 132,83 ± 2,91 μg par mn et la SPD à 14,38 ± 0,22 μg par mn, avec une efficacité de plus de 90% pour les deux médicaments. De plus, la libération cumulative de SPD dans des conditions acides (pH 5,6) a atteint 88,87 ± 3,58% au jour 15, ce qui est significativement plus élevé que le PBS (pH 7,4), ce qui confirme davantage le spectre de libération de la réponse acide de la pointe Mn (figure 3G).

Figure 3. Évaluation de la libération de drogue des patchs LFT / S - mn. (A) Champ lumineux représentatif et images microscopiques à fluorescence de la peau Ex Vivo du porc après l'implantation du patch LFT / S - mn. (b) coupes histologiques de peau de porc après implantation du patch mn. (c) l'image optique montre la dissolution rapide de la couche de base et la séparation de la couche pointue dans le PBS en 80 secondes. (d) Les images de microscopie à fluorescence inversée montrent la dégradation du mn en 15 jours dans différentes conditions de pH (pH 7,4 et 5,6) simulant des environnements de plaies neutres et légèrement acides. (e) Quantification du chargement et de la livraison des patchs LFT / S - Mn LFT. (f) Quantification du chargement et de la livraison du patch SPD LFT / S - mn. (g) courbe de libération cumulative in vitro de SPD en fonction du temps dans les LFT / S - mns. Les données sont exprimées en moyenne ± SD (n = 3 échantillons indépendants).

Les auteurs ont systématiquement évalué les effets antimicrobiens in vitro des patchs LFT / S - mn. Comme le montre la figure 4d, la concentration minimale inhibitrice (CMI) de LFT sous irradiation ultrasonore (3 MHz, 0,97 W / cm2, Rapport cyclique de 50%, 30 min) est de 128 µg / ML. Le patch LFT / S - Mn seul a montré une activité antimicrobienne modérée avec une inhibition de 36,41 ± 0,75% contre Staphylococcus aureus et de 35,87 ± 1,48% contre Pseudomonas aeruginosa (figures 4a et e). En revanche, Après activation par ultrasons, le taux de bactériostatique des patchs LFT / S - Mn a été significativement amélioré à 99,95 ± 0,04% et 99,96 ± 0,04%, respectivement (figure 4e), ce qui indique que les bactéries sont presque inactivées. Ces résultats ont été validés par la coloration syto 9 / pi, où le Groupe LFT / S - Mn us a montré une Fluorescence rouge prédominante indiquant une mort bactérienne généralisée (figures 4b et f). Les miroirs électriques à balayage (SEM) fournissent des preuves morphologiques supplémentaires; Les bactéries du groupe non traité ont conservé une membrane intacte et lisse, tandis que celles exposées au LFT / S - Mn activé par ultrasons ont montré une destruction structurelle et une rupture de membrane significatives (figure 4c). Dans l'ensemble, ces résultats confirment qu'après activation par ultrasons, les patchs LFT / S - Mn peuvent produire de grandes quantités de Ros locales, ce qui élimine efficacement les bactéries sur le site de la lésion.

Figure 4. Étude in vitro des propriétés antimicrobiennes du patch LFT / S - mn. (A) Photographie représentative d'une plaque d'agar montrant les effets antimicrobiens des LFT / S - mns sur Staphylococcus aureus et Pseudomonas aeruginosa. (b) Les images de microscopie à fluorescence montrent que Staphylococcus aureus et Pseudomonas aeruginosa produisent un stress oxydatif causé par Ros dans différentes conditions de traitement. (c) images SEM de la morphologie bactérienne après traitement montrant la destruction membranaire et la déformation structurelle de Staphylococcus aureus et Pseudomonas aeruginosa. (d) concentration minimale inhibitrice (CMI) de la LFT contre Staphylococcus aureus dans la LFT / S - Mn, montrant une activité antimicrobienne dose - dépendante. La flèche Rouge indique la valeur MIC du LFT. (e) analyse quantitative de la viabilité bactérienne après différents traitements, évaluée par coloration vivante / morte. (f) les mesures correspondantes de l'intensité de fluorescence verte (FI) dans les expériences vivantes / mortes confirment davantage l'effet antimicrobien. Les données sont présentées en moyenne ± SD (n = 3 échantillons indépendants). ** p < 0.01，** p < 0.001，**** p < 0.0001。 Ns signifie non significatif.

Pour vérifier l'efficacité thérapeutique in vivo du patch LFT / S - Mn, les auteurs ont utilisé Pseudomonas aeruginosa (L'espèce P. aeruginosa), établir un modèle d'infection cutanée faciale chez la souris (figure 5a). Les souris infectées ont été randomisées en 8 groupes (n = 5 par groupe) comprenant un groupe non ultrasonique (blank, S - Mn, LF / S - Mn, LFT / S - Mn) et un groupe soniqué (Blank + US, S - Mn + US, LF / S - Mn + US, LFT / S - Mn + US). Le Protocole d'échographie comprenait une irradiation quotidienne de 3 MHz, 0,97 W / cm2, un rapport cyclique de 50%, pendant 30 minutes, pendant 3 jours consécutifs. La progression de la plaie a été suivie par des photographies les jours 0, 1, 3, 5 et 9 après le traitement (figure 5b). Au jour 1, une réduction significative de l'exsudation purulente a été observée dans le Groupe LFT / S - Mn + US, reflétant les effets antimicrobiens combinés de la TDC et de la TDS. En revanche, le groupe non échographique a montré une septicémie et une inflammation plus étendues. Le jour 3, une fois l'administration échographique terminée, un échantillon du lit de la plaie a été prélevé pour la culture bactérienne et la charge bactérienne résiduelle a été évaluée (figure 5e). Le comptage sur plaque montre que les colonies du Groupe LFT / S - Mn + US sont les moins formées, ce qui indique une activité antimicrobienne plus forte in vivo (figure 5F). Au jour 9, les souris traitées par LFT / S - Mn + US présentaient un taux élevé de cicatrisation des plaies et une régénération tissulaire marquée (figure 5c). Tout au long du traitement, la surveillance du poids corporel n’a révélé aucune fluctuation significative entre les groupes (figure 5d), indiquant une bonne biocompatibilité systémique du patch mn. Pris ensemble, ces résultats suggèrent que la LFT / S - Mn, combinée aux ultrasons, peut être efficace pour éliminer les infections bactériennes et accélérer considérablement la cicatrisation des plaies in vivo.

Figure 5. Effets antimicrobiens in vivo et propriétés cicatrisantes des plaies des patchs LFT / S - mn. (A) schéma d'un modèle de plaie de souris infectées par Pseudomonas aeruginosa et stratégie de traitement utilisant un patch mn avec ou sans stimulation US. (b) des photographies représentatives du site de la plaie aux jours 0, 1, 3, 5 et 9 après le traitement. Les cercles pointillés Noirs représentent les limites initiales de la plaie. (c) analyse quantitative de la cicatrisation des plaies au fil du temps dans chaque groupe de traitement (n = 5). (d) surveillance du poids corporel des souris pendant le traitement (n = 5). (e) photographies de plaques d'agar de colonies bactériennes cultivées dans le lit de plaie au jour 3 de chaque groupe. (f) Quantification de la viabilité bactérienne basée sur l'analyse des unités formatrices de colonies (UFC) (n = 3). Les données sont exprimées en moyenne ± SD. *** p < 0.001，**** p < 0.0001。 Ns signifie non significatif.

Conclusion:Cette étude a permis de développer avec succès un patch de microaiguille à double couche (LFT / S - Mn) pH - sensible qui permet un traitement hautement efficace des plaies infectées en intégrant une thérapie antimicrobienne synergique activée par ultrasons (CDT / SDT) avec une immunomodulation déclenchée par un microenvironnement acide. Non seulement le patch libère rapidement des NP LFT ciblant les bactéries, produisant de grandes quantités de Ros sous ultrasons pour éliminer les bactéries et les biofilms, mais il libère également des SPD en continu dans des conditions acides de la plaie, régulant la polarisation des macrophages et inhibant l'inflammation excessive. Des expériences in vivo ont confirmé que cette stratégie accélère considérablement la fermeture des plaies, favorise la régénération des tissus et offre une excellente biosécurité. Ce travail fournit une nouvelle stratégie avec un potentiel de transformation clinique pour le traitement des plaies infectées non dépendantes des antibiotiques et la régénération tissulaire.