Mangostanin hyaluronic acid hydrogel: a biocompatible alternative to chlorhexidine for managing periodontal disease

Abstract

[cat] Introducció La malaltia periodontal (PD, per les sigles en anglès) representen un desafiament generalitzat i un elevat impacte per a la salut, exigint tractaments efectius, antimicrobians i biocompatibles. Els enfocaments convencionals, especialment l'ús de gels periodontals comercials que contenen clorhexidina (CHX) o altres antisèptics, han generat preocupacions en els darrers anys a causa dels efectes citotòxics observats en els teixits periodontals i l'augment de la tolerància/resistència a aquests antisèptics. En resposta a aquestes inquietuds, aquesta tesi té com a objectiu explorar solucions alternatives a aquests antisèptics, centrant-se en els beneficis terapèutics de la 9-Hidroxicalabaxantona o mangostanina (MGTN), una xantona present a la fruita de Garcinia mangostana L. Aquest compost introdueix una perspectiva innovadora per superar les limitacions associades als gels convencionals, presentant un possible avenç en el tractament de la PD. Contingut de la investigació En primer lloc, es va realitzar una anàlisi comparativa de la biocompatibilitat i l'eficàcia antibacteriana de diversos gels periodontals comercials. Es van utilitzar fibroblasts gingivals humans i un model tridimensional (3D) d'equivalents de teixit humà de la geniva sota condicions inflamatòries per avaluar la biocompatibilitat. A més, es va investigar l'efecte antibacterià en relació amb el creixement de Porphyromonas gingivalis, una bactèria característica de la PD. Els resultats van mostrar elevats efectes citotòxics en els fibroblasts i una inhibició significativa del creixement bacterià en gels que contenien CHX, asiaticòsid, enoxolona, clorur de cetilpiridini, propòleos i eugenol. En canvi, els gels Emdogain (EMD) i Syntoss Biogel no van ser citotòxics, però van mostrar efectes antibacterians nuls o molt baixos, respectivament. Davant de la manca de biocompatibilitat dels principals gels periodontals comercialitzats, es va desenvolupar un hidrogel d'àcid hialurònic (HA) químicament modificat que contenia MGTN. Aquest hidrogel modificat d'HA va mostrar una alliberació sostinguda de MGTN amb activitat antimicrobiana comparable als gels de CHX, alhora que era biocompatible amb l'equivalent de teixit gingival en 3D. Per ampliar la seva aplicació, la MGTN es va formular ja sigui en solució o en hidrogel d'HA i es va testar en diferents bactèries i en diferents models de teixit in vitro. La MGTN va mostrar una notable efectivitat antimicrobiana contra diversos patògens de la pell i orals sense mostrar citotoxicitat en fibroblasts gingivals humans i en models 3D d'epidermis humana i epiteli oral. A més, va reduir eficaçment la formació de biofilm de placa a partir de saliva humana. Per validar encara més l'eficàcia terapèutica del gel d'HA amb MGTN, es va implementar un model experimental per induir la periodontitis en rates. Això va implicar la col·locació de lligadures i injeccions de lipopolisacàrids (LPS) al voltant dels primers molars maxil·lars, simulant efectivament la recessió gingival, la pèrdua òssia alveolar i la inflamació, com es veu en la periodontitis. L'estudi va utilitzar la tomografia computada de feix cònic (CBCT) per mesurar la pèrdua òssia alveolar i va realitzar anàlisis de la composició de la microbiota oral i dels mediadors inflamatoris clau en el fluid gingival crevicular (GCF, de les sigles en anglès). Els resultats van destacar l'eficàcia del gel d'HA amb MGTN en la reducció de la inflamació i el reequilibri de la microbiota, augmentant la presència de bacteris associats amb una microbiota oral saludable i reduint la presència de microbiota associada amb la PD. Conclusions En resum, la alliberació controlada de MGTN en un hidrogel d'HA químicament modificat emergeix com una alternativa prometedora, segura i efectiva per a la prevenció i tractament de la PD, recolzada per estudis exhaustius tant in vitro com in vivo.

[spa] Introducción La enfermedad periodontal (PD, por sus siglas en inglés) representa un desafío generalizado y con un elevado impacto para la salud, requiriendo tratamientos efectivos, antimicrobianos y biocompatibles. Los enfoques convencionales, especialmente el uso de geles periodontales comerciales que contienen clorhexidina (CHX) u otros antisépticos, han generado preocupaciones en los últimos años debido a los efectos citotóxicos observados en los tejidos periodontales y al aumento de la tolerancia/resistencia a estos antisépticos. En respuesta a estas inquietudes, esta tesis tiene como objetivo explorar soluciones alternativas a estos antisépticos, centrándose en los beneficios terapéuticos de la 9-Hidroxicalabaxantona o mangostanina (MGTN), una xantona presente en la fruta de Garcinia mangostana L. Este compuesto introduce una perspectiva innovadora para superar las limitaciones asociadas con los geles convencionales, presentando un posible avance en el campo del tratamiento de la PD. Contenido de la investigación En primer lugar, se realizó un análisis comparativo de la biocompatibilidad y la eficacia antibacteriana de varios geles periodontales comerciales. Se emplearon fibroblastos gingivales humanos y un modelo tridimensional (3D) de equivalentes de tejido humano de la encía bajo condiciones inflamatorias para evaluar su biocompatibilidad. Además, se investigó el efecto antibacteriano en relación con el crecimiento de Porphyromonas gingivalis, una bacteria característica de la PD. Los resultados mostraron altos efectos citotóxicos en los fibroblastos y una significativa inhibición del crecimiento bacteriano en geles que contenían CHX, asiaticósido, enoxolona, cloruro de cetilpiridinio, propóleos y eugenol. Por el contrario, los geles Emdogain (EMD) y Syntoss Biogel no fueron citotóxicos, pero mostraron efectos antibacterianos nulos o muy bajos, respectivamente. Dada la falta de biocompatibilidad de los principales geles periodontales comercializados, se desarrolló un hidrogel de ácido hialurónico (HA) químicamente modificado que contenía MGTN. Este hidrogel modificado de HA mostró una liberación sostenida de MGTN con actividad antimicrobiana comparable a los geles de CHX, al tiempo que era biocompatible con el equivalente de tejido gingival en 3D. Para ampliar su aplicación, la MGTN se formuló ya sea en solución o en hidrogel de HA y se probó en diferentes bacterias y en diferentes modelos de tejido in vitro. La MGTN demostró una notable efectividad antimicrobiana contra varios patógenos de la piel y orales sin mostrar citotoxicidad en fibroblastos gingivales humanos y en modelos 3D de epidermis humana y epitelio oral. Además, redujo eficazmente la formación de biofilm de placa a partir de saliva humana. Para validar aún más la eficacia terapéutica del gel de HA con MGTN, se implementó un modelo experimental para inducir la periodontitis en ratas. Esto involucró la colocación de ligaduras e inyecciones de lipopolisacáridos (LPS) alrededor de los primeros molares maxilares, simulando efectivamente la recesión gingival, la pérdida ósea alveolar y la inflamación, como se observa en la periodontitis. El estudio utilizó la tomografía computarizada de haz cónico (CBCT) para medir la pérdida ósea alveolar y se realizó un análisis de la composición de la microbiota oral y de los mediadores inflamatorios clave en el fluido gingival crevicular (GCF, por las siglas en inglés). Los resultados resaltaron la eficacia del gel de HA con MGTN en la reducción de la 4 inflamación y el reequilibrio de la microbiota, aumentando la presencia de bacterias asociadas con una microbiota oral saludable y reduciendo la presencia de microbiota asociada con la PD. Conclusiones En resumen, la liberación controlada de MGTN en un hidrogel de HA químicamente modificado emerge como una alternativa prometedora, segura y efectiva para la prevención y tratamiento de la PD, respaldada por exhaustivos estudios tanto in vitro como in vivo.

[eng] Introduction Periodontal disease (PD) represents a widespread and impactful health challenge, demanding effective, antimicrobial, and biocompatible treatments. Conventional approaches, especially the use of commercial periodontal gels containing chlorhexidine (CHX) or other antiseptics, have raised concerns in recent years due to observed cytotoxic effects in periodontal tissues and the increased tolerance/resistance to these antiseptics. In response, this thesis aims to explore alternative solutions to these antiseptics, focusing on the therapeutic benefits of 9- Hydroxycalabaxanthone or mangostanin (MGTN), a xanthone present in the fruit of Garcinia mangostana L. This compound introduces an innovative perspective to overcome the limitations associated with conventional gels, presenting a potential breakthrough in the field of PD treatment. Investigation First, a comparative analysis of the biocompatibility and antibacterial efficacy of various commercial periodontal gels was performed. Human gingival fibroblasts and a threedimensional (3D) model of human tissue equivalents of gingiva were employed under inflammatory conditions to evaluate biocompatibility. Additionally, the antibacterial effect was investigated in relation to the growth of Porphyromonas gingivalis, a bacterium characteristic of PD. The results showed high cytotoxic effects on fibroblast and a significant inhibition of bacterial growth in gels containing CHX, asiaticoside, enoxolone, cetylpyridinium chloride, propolis, and eugenol. On the contrary, Emdogain (EMD) and Syntoss Biogel, were non-cytotoxic but exhibited either no or very low antibacterial effects, respectively. In view of the lack of biocompatibility of the main marketed periodontal gels, a chemically modified hyaluronic acid (HA) hydrogel containing MGTN was developed. This modified HA hydrogel exhibited sustained MGTN release with antimicrobial activity comparable to CHX gels, while being biocompatible with the 3D-gingival tissue equivalent. To expand its application, MGTN was formulated either in solution or in HA hydrogel and tested in different bacteria and in different in vitro tissue models. MGTN exhibited remarkable antimicrobial effectiveness against various skin and oral pathogens without displaying cytotoxicity on human gingival fibroblasts and on 3D models of human epidermis and oral epithelium. Moreover, it effectively reduced the formation of plaque biofilm from human saliva. To further validate the potential therapeutic efficacy of the HA gel with MGTN, an experimental model was implemented to induce periodontitis in rats. This involved ligature placement and lipopolysaccharide (LPS) injections around the first maxillary molars, effectively simulating gingival recession, alveolar bone loss, and inflammation, as observed in periodontitis. The study utilized cone beam computed tomography (CBCT) to measure alveolar bone loss and conducted analyses of the composition of the oral microbiota and key inflammatory mediators in gingival crevicular fluid (GCF). The results highlighted the effectiveness of the HA gel with MGTN in reducing inflammation and rebalancing the microbiota, increasing the presence of bacteria associated with a healthy oral microbiota, and reducing the presence of microbiota associated with PD. In conclusion In summary, the controlled release of MGTN in a chemically modified HA hydrogel emerges as a promising, safe, and effective alternative therapy for the prevention and treatment of PD, supported by comprehensive in vitro and in vivo studies.