Multifunctional enzymatically-generated hydrogel platforms for chronic wound application

Abstract

Chronic wounds became burdensome problem of worldwide healthcare systems, along with the increased elderly population, which is the most vulnerable risk group, predisposed to their development. Chronic wounds represent a “silent epidemic” that affect a large fraction of the population and are often regarded as a comorbid condition. Statistical surveys indicated that 1-2 % of the population in developed countries will suffer from chronic wounds during their lifetime.
 Contemporary clinical treatment involves a combination of techniques and procedures aiming at eradication of wound chronicity and switching the biochemical entities to normal wound healing. In this regard, wound dressings have been affirmed and widely accepted as integral part of wound healing therapies. Wound care, by using dressings dates from ancient times, when for instance ancient egyptians applied and arranged bandages. Nowadays, the market is dominated by dressings, which only function besides a simple physical barrier is to balance the wound moisture by either absorbing excess exudates or providing moisture environment. However, the multifactorial nature of chronic wounds often renders this single-factor directed therapy as low or non-effective, aggravating the patient outcome. Thus, the demands for expanding the treatment options to more effective therapy brought about the development of bioactive dressings. These dressings should not only protect the wound and control the wound moisture, but also interact with various adverse wound constituents, modulating their bio-activities in favor of healing.
 Materials with inherent wound healing features are highly desireable and more attention to such materials among the research communities has lead to the design of wound dressings with improved characteristics. However, amongst the myriad novel dressings synthesized, there is still lack of universal dressing with a panel of features able to address most of the devastating chronic wound constituents. The lack of such on-market dressing, lead to huge economical burden of the healthcare systems, holding significant part of their budgets. Development of universal multifunctional dressing, appropriate for management of many types of chronic wounds will boost the health systems to minimize the costs and improve the quality of patient’s life.
 This thesis develops multifunctional biopolymer-based hydrogel materials as a bioactive platform with appropriate exploitation characteristics for treatment of chronic wound. To this end, hydrogels were developed by using environmentally benign approach, based on enzymatic reactions. Intrinsically bioactive biopolymer chitosan which served as a matrix, was modified with thiol groups and further in situ enzymatically crosslinked with two different natural polyphenols. The incorporated in the biopolymer matrix polyphenols, exhibited dual role on the hydrogel performance by providing: 1) structural integrity by crosslinking the biopolymer chains; 2) bioactive features, through interaction with major chronic wound factors. The multifunctionality of the obtained materials in the treatment of chronic wounds was evaluated by in-vitro and ex-vivo experiments with chronic wound exudates. The hydrogels exhibited beneficial for wound healing properties, such as inhibitory activity against deleterious wound enzymes and antioxidant activity, and antibacterial activity coupled with biocompatibility to human skin cells. Las heridas crónicas representan un perjuicio económico significativo para los servicios sanitarios del mundo entero, el cual se ve magnificado con el incremento de la población de la tercera edad, que es el grupo que presenta mayor riesgo de desarrollarlas. Las heridas crónicas son una ¿epidemia silenciosa¿ que afecta a una parte muy importante de la población y que suele estar asociada a otras patologías. Las estadísticas reflejan que el 1-2% de la población de los países desarrollados sufrirá este tipo de heridas durante su vida. Los tratamientos actuales están basados en una combinación de estrategias dirigidas a erradicar la cronicidad de la herida y activar los resortes bioquímicos para su sanación mediante el proceso habitual. A este respecto, los apósitos para heridas están ampliamente reconocidos como una parte integral de las terapias de curación de heridas. El cuidado de las heridas viene desde tiempos remotos con el uso de vendajes por parte de los antiguos egipcios. Actualmente el mercado está dominado por apósitos que actúan como barrera física que a su vez controla la humedad de la herida ya sea por absorción del exceso de exudado o por proveer la humedad necesaria. Sin embargo, la naturaleza multifactorial de las heridas crónicas hace que esta estrategia resulte en diversas ocasiones poco o nada efectiva, agravando la situación del paciente. Por lo tanto, es necesario mejorar el tratamiento desarrollando apósitos que sean bioactivos. Estos nuevos apósitos deben, además de proteger la herida y controlar su humedad, interactuar con diversos factores negativos presentes en las heridas modulando su bioactividad en favor de una curación más rápida y eficaz. Materiales con inherentes propiedades curativas son realmente necesarios y este creciente interés ha llevado a la comunidad científica a diseñar apósitos para heridas con mejores propiedades. Sin embargo, a pesar de la multitud de nuevos apósitos desarrollados, no se ha presentado un apósito universal con múltiples propiedades capaz de hacer frente a la mayoría de los factores que provocan la cronicidad de estas úlceras. La falta de este tipo de apósito en el mercado conlleva un gasto económico muy importante para los servicios de salud y representa una parte significativa de sus presupuestos. El desarrollo de un apósito multifuncional y universal aplicable a varios tipos de heridas crónicas implicaría una reducción drástica de los costes de los servicios sanitarios y mejorar la calidad de vida del paciente. En esta tesis se desarrollan materiales multifuncionales basados en hidrogeles biopoliméricos con el objetivo de generar plataformas bioactivas con propiedades óptimas para el tratamiento de heridas crónicas. La formación de estos hidrogeles se basa en una reacción enzimática respetuosa con el Medio Ambiente. El quitosano es un biopolímero intrínsecamente bioactivo que una vez funcionalizado con grupos tiol y reticulado con diferentes polifenoles constituye la estructura del hidrogel. Estos polifenoles confieren dos propiedades al hidrogel: 1) integridad estructural por la reticulación de las cadenas de quitosano; 2) bioactividad, a través de su interacción con la mayoría de factores y patógenos presentes en las heridas crónicas. La multifuncionalidad de los materiales obtenidos para el tratamiento de heridas crónicas ha sido evaluada tanto in vitro como ex vivo con exudados de heridas crónicas. Los hidrogeles desarrollados en esta tesis muestran múltiples propiedades añadidas a las de los apósitos que actualmente hay en el mercado, y entre ellas destacan una elevada actividad antibacteriana, inhibición de enzimas perjudiciales y efecto antioxidante a la vez que presentan gran biocompatibilidad con células de piel humana.