A helyileg indukált zsírszövet barnulása mikrotűs tapasszal az elhízás kezelésére

Yuqi Zhang

† Észak-Karolinai Egyetem, a Chapel Hill Egyetem és az Észak-Karolinai Állami Egyetem, Raleigh, Észak-Karolina, 27695, Egyesült Államok

‡ Nanotechnológiai Központ a gyógyszerszállításban és a molekuláris gyógyszerészeti részleg, UNC Eshelman Gyógyszerészeti Iskola, Észak-Karolinai Egyetem, Chapel Hill, Chapel Hill, Észak-Karolina 27599, Egyesült Államok

Qiongming Liu

§ Patológiai és Sejtbiológiai Tanszék, Naomi Berrie Diabetes Center, Columbia University, New York, New York 10032, Egyesült Államok

Jicheng Yu

† Észak-Karolinai Egyetem, a Chapel Hill Egyetem és az Észak-Karolinai Állami Egyetem, Raleigh, Észak-Karolina, 27695, Egyesült Államok

Shuangjiang Yu

† Közös Orvostudományi Tanszék, University of North Carolina, Chapel Hill és North Carolina State University, Raleigh, Észak-Karolina, 27695, Egyesült Államok

‖ A Polimer Ecomaterials fő laboratóriuma, Changchun Alkalmazott Kémiai Intézet, Kínai Tudományos Akadémia, Changchun, Jilin 130022, Kína

Jinqiang Wang

† Észak-Karolinai Egyetem, a Chapel Hill Egyetem és az Észak-Karolinai Állami Egyetem, Raleigh, Észak-Karolina, 27695, Egyesült Államok

Li Qiang

§ Patológiai és Sejtbiológiai Tanszék, Naomi Berrie Diabetes Center, Columbia University, New York, New York 10032, Egyesült Államok

Zhen Gu

† Közös Orvostudományi Tanszék, University of North Carolina, Chapel Hill és North Carolina State University, Raleigh, Észak-Karolina, 27695, Egyesült Államok

⊥ Egészségügyi Tanszék, Észak-Karolinai Egyetem, Chapel Hill, Chapel Hill, Észak-Karolina 27599, Egyesült Államok

Társított adatok

Absztrakt

Az elhízás az egyik legsúlyosabb közegészségügyi probléma a 21. században, amely számos társbetegséghez vezethet, például 2-es típusú cukorbetegséghez, szív- és érrendszeri betegségekhez és rákhoz. Az elhízás elleni jelenlegi kezelések, beleértve az étrendet, a testmozgást, a farmakológiai terápiát, valamint a műtéteket, mindig alacsony hatékonysággal vagy nem kívánt szisztematikus mellékhatásokkal járnak. A kezelés hatékonyságának minimalizálása érdekében a lehető legkisebb mellékhatásokkal transzkután bőrbarnító tapaszt fejlesztettünk ki a zsírszövet transzformációjának lokális kiváltására. Ez a mikrotűalapú tapasz hatékonyan, tartósan képes barnítószereket juttatni a szubkután adipocitákba, és bekapcsolhatja a „barnulást” a megcélzott régióban. Kimutatták, hogy ez a tapasz csökkenti a kezelt zsírpárna méretét, növeli az egész test energiafelhasználását és javítja a 2-es típusú cukorbetegséget in vivo egy diéta okozta elhízás egér modellben.

Grafikai absztrakt

Az elhízást az Amerikai Orvosi Szövetség 2013-ban betegségnek minősítette, és a 21. század egyik legsúlyosabb közegészségügyi problémaként ismerte el, amely a gyors globális társadalmi-gazdasági fejlődéssel jár. 1 Az elhízással összefüggő rendellenességek, például a 2-es típusú cukorbetegség, a szív- és érrendszeri betegségek és a rák globális veszélyt jelentenek az emberi egészségre. Különösen az Egyesült Államokban a felnőtt lakosság több mint egyharmada elhízott, és az elterjedtség a következő évtizedekben szárnyalni fog. 2 Az elhízás elleni jelenlegi kezelések magukban foglalják a kalóriabevitel korlátozását diétás programokkal, az energiafogyasztás előmozdítását testmozgás, farmakológiai terápia, valamint bariatéri műtétek és zsírleszívás útján. 3,4 A legtöbb terápiás szer azonban nemkívánatos mellékhatásokkal jár az emberi szervekre, mint például a gasztrointesztin, a máj és a vese, 5,6 és a műtétek nagy kockázattal járnak. 7 Ezért sürgős követelmény az elhízás hatékony kezelésének kiaknázása.

A legújabb tanulmányok feltárták a barna zsírszövet (BAT), az elsődleges hőtermelő szerv döntő szerepét az emlősök energiafelhasználásában. 8,9 Ismeretes, hogy a fehér zsírszövet (WAT) trigliceridként meghaladja az energiát, ami súlygyarapodáshoz vezet; mivel a BAT az energia eloszlatásával hőt termel nem rezgő termogenezissel, ami megkönnyítheti az elhízás visszaszorítását. 10 A WAT BAT-vá történő átalakítása alternatív megközelítést kínál az elhízás és a kapcsolódó anyagcserezavarok kezelésére, amely az elmúlt évtizedben egyre nagyobb figyelmet kapott. 11–13 Különböző géneket és útvonalakat azonosítottak, amelyek szabályozzák az adipocita fejlődését. 4,14 Azonban számos barnítószer, amely elősegítheti a WAT „barnulását”, klinikai alkalmazásban kihívásokkal szembesül, mivel a széles célzási spektrum eredményeként nem kívánatos mellékhatások vannak más szervekre. 15–17

Itt egy lokálisan indukált barnulási technológiáról számolunk be, amely egy lebontható mikrotű (MN) tapasz alapján gyógyszerrel töltött nanorészecskékből (NP) és térhálós mátrixból állt (1. ábra). A roziglitazont (Rosi) vagy a CL 316243-at modellbarnító szerként az NP-kbe töltöttük. 18 Az NP-k tovább integrálhatók egy mikrotűs (MN) tömb alapú transzdermális eszközbe a gyógyszer szubkután zsírszövetbe történő tartós bejuttatásához. Az MN tapasz lokalizált, kényelmes és fájdalommentes beadási módot biztosít. 19–22. Egérmodellben bebizonyítottuk, hogy ez az MN tapasz biztonságos és hatékony módon képes a barnulási reagensek helyi adagolását biztosítani az adipocita hipertrófia gátlásához és az anyagcsere következményes javításához.

A barnulással reagensekkel töltött transzkután MN tapasz vázlatos ábrája. A roziglitazont (Rosi), a glükóz-oxidázt (GOx) és a katalázt (CAT) kapszulázó nanorészecskék (NP) pH-érzékeny acetál-módosított dextránból készülnek és algináttal vannak bevonva. Az NP-ket tovább töltjük a keresztkötéses hialuronsav (HA) mátrixból készült mikrotűs elrendezésű tapaszba a fehér zsír barna átalakításához.

Eredmények és vita

A Rosi-terhelt NP-k szintézise és jellemzése.

A Browning Agent MN-Array Patch gyártása és jellemzése.

Az NP-ket tovább beépítettük egy polimer MN-elrendezésű tapaszba a barnulási reagensek helyi adagolásához. Röviden: az NP-ket először egy szilikon MN-forma csúcsrészébe töltöttük centrifugálással, majd bázisoldat hozzáadásával. Metakrilezett hialuronsavat (m-HA) választottunk alapanyagnak, figyelembe véve annak jó biokompatibilitását és mechanikai tulajdonságait. 31,32 Az N, N′-metilén-bisz (akrilamid) (MBA) térhálósítóval és egy fotoiniciátorral elegyített m-HA bázisoldatot UV-fény hatására (365 nm, 9 mW/cm 2 30 másodpercig). A térhálós HA-alapú mátrix növelheti az MN-ek merevségét (S2. Ábra) a bőrön keresztüli hatékony behatolás érdekében, valamint lehetővé teszi a gyógyszer tartós felszabadulását az MN-hegyekből, ami segít fenntartani a konstitutívan magas gyógyszer-koncentrációt zsírszövetek. Az MN-tömb 121 tűt tartalmaz egy 7 × 7 mm 2 méretű tapaszban, középpont-központ intervallummal 600 μm. Mindegyik MN kúpos alakú volt, 300 μm átmérővel az alján és 800 μm magasságban (2h ábra). A nagyított SEM kép megerősítette az NP-k eloszlását a csúcsban (2i. Ábra).

In vivo vizsgálatok az MN-ről sovány egereken.

MN tapaszok in vivo barnulási indukciója a sovány egerekben. a) A keresztmetszetű egér inguinalis zsírszövet H & E-vel festett szakasza HA üres MN tapasszal (balra), Rosi NP-vel töltött MN tapasszal (középen) és CL 316243 NP-vel töltött MN tapasszal (jobbra) (skála sáv): 25 μm). (b) A gén expressziójának Q-PCR elemzése inguinalis WAT-ban, HA üres hordozóval (EV), Rosi vagy CL 316243 (CL) töltött MN tapaszokkal kezelve. NP-vel töltött MN javítás. A hibasávok az átlag (SEM) standard hibáját jelzik, a kétfarkú Student t-tesztje, * P 4a. Ábra). 39–41 Magasabb testsúlycsökkenésük a csökkent zsírtömegből, elsősorban a zsigeri epididymális WAT-ból (eWAT) származik (4b., C. Ábra). c). Az energia homeosztázisban bekövetkezett változásokat pusztán az energiafelhasználás okozta, mivel sem a Rosi MN, sem a CL 316243 nem befolyásolta a kalóriabevitelt (4d. Ábra). Feltűnően mindkét kezelés megnövelte az oxigénfogyasztást (4f. Ábra) az indukált barnulás eredményeként (3. ábra). A CL 316243 MN-től eltérően a Rosi MN a sötét ciklus alatt csökkentette a mozgásszervi aktivitást, amikor az egerek aktívabbak (4e. Ábra), összhangban a különféle barnulási mechanizmusaikkal. Továbbá, mind a Rosi, mind a CL 316243 csökkent légzéscsere-arányt (RER) (4g. Ábra), amelyet a felszabaduló CO2/elfogyasztott O2 tükröz, ami azt jelzi, hogy a barnulás után a zsírsav-felhasználást részesítik előnyben, mivel a szénhidrátok teljes oxidálásához csak 75% oxigénre van szükség savak (3: 4 arány). Kalorimetriás vizsgálataink együttesen teljes mértékben alátámasztják azt az elképzelést, hogy a Rosi vagy a CL 316243 barnító reagensek MN-bejuttatása hatékony módszer a barnulás kiváltására és az anyagcsere javítására.

15% -os gátlás ennek a négyhetes kezelésnek a végén (5b. Ábra). Mind a Rosi MN, mind a CL 316243 MN hatékonyan javította a glükóz clearance-ét, miután az egereknek egy bolusnyi glükózt injektáltak, amelyet intraperitoneális glükóz tolerancia tesztnek (IPGTT) neveztek el (5c. Ábra), és csökkentették az éhomi vércukorszintet (a cukorbetegség diagnosztikai mutatója) 140 mg-ról./dL a kontroll egerekben

110 mg/dl (5d. Ábra), ami az inzulinérzékenység javulását jelzi. Érdekes módon ezt a javulást inkább a barnulás, mintsem maga Rosi inzulinérzékenyítő funkciója okozza, mivel a CL 316243 ugyanazt a hatást mutatta. A megnövekedett barnulás és a lipidfelhasználás következtében, amint azt a 4. ábra mutatja, megfigyeltük a

Az eWAT 30% -os csökkenése (5e. Ábra), de nem a klasszikus interscapularis BAT-ban (5f. Ábra). Ennél is fontosabb, hogy a barnítószerek MN-bejuttatása helyileg csökkentette az inguinalis zsírpárnát. A kezelt oldalak méretei, akár Rosi MN, akár CL 316243 MN segítségével, csökkentek a kezeletlen oldalakhoz (EV-R vagy EV-C) képest (5g., H. Ábra). h). Támogató módon a H&E-vel festett szakaszok látszólag kisebb adipocitákat mutattak ki az inguinalis WAT-ban csak azokban a csoportokban, amelyeket gyógyszer tartalmú tapaszokkal adtak be, de nem észleltek nyilvánvaló barnulást a másik helyen, ahol üres foltokat injektáltak (5i. Ábra). A barna adipocita géneket nagyobb mértékben indukálták a kezelt oldalon, különösen Rosi MN (5j. Ábra), ami az MN tapaszok korlátozott barnulási hatását jelzi. A zsír egészségének javulásának indikátoraként az Adiponectin mind a Rosi MN, mind a CL 316243 MN kezelt oldalon felfelé volt szabályozva (5j ábra). Míg az aP2 downstream target PPARy-t csak MN Rosi indukálta (5j. Ábra), ez is alátámasztja az MN tapasz helyi hatását. Ezenkívül, amint azt az MN-vel kezelt területet körülvevő egér bőrének H&E festett szövettani képei mutatják be egy hónapos beadás után, jelentéktelen elváltozások voltak a bőrön, ami az MN tapaszok kiváló biokompatibilitását jelzi (S6. Ábra).

Az MN tapaszok in vivo antiobezitás és antidiabetikus hatásai HFD által kiváltott elhízott egérmodellben. (a) Kép, amely szemlélteti az egereket barnító hatású tapasszal az egyik lágyék oldalán (piros), a másik oldalán pedig üres hordozófolttal (kék). (b) Az egerek normalizált testtömege kezelés nélkül vagy barnító hatású tapaszokkal kezelve. (c) IPGTT teszt egerekben a kezelés után 2 héttel. d) barnítószer-tapaszokkal vagy üres foltokkal kezelt egerek vércukorszintje 16 órás éhgyomorra után. e) Normalizált epididymális zsírpárna méret egerekben, különböző kezelésekkel. (f) Az interscapularis zsírpárna méretének normalizált súlya egerekben, különböző kezelésekkel. g) A kezelt lágyéki zsírpárna méretének aránya a kezeletlen oldalhoz. (h) Az inguinalis zsírszövet két oldalának fényképei elhízott egerekből 4 héttel a kezelés után. i. Inguinalis zsírszövetek H&E festése (skála: 50 μm). j) Adipocita génexpressziók Q-PCR elemzése inguinalis szövetekben. (b − g) A hibasávok az SD-t, a kétfarkú Student t-próbáját jelzik, * P 42,43

MÓD

Anyagok.

Minden vegyszert a Sigma-Aldrich-től vásároltunk, hacsak másképp nem írtuk elő, és a kapott módon használtuk fel. A rosiglitazont Abcam-tól (Cambridge, Massachusetts) rendelték meg. A CL 316243-at a Cayman Chemical-tól (Ann Arbor, MI) szereztük be. Az ioncserélt vizet Millipore NanoPure tisztító rendszerrel készítettük (ellenállás nagyobb, mint 18,2 MΩ cm-1).

Roziglitazonnal töltött Dextran nanorészecskék előállítása.

In vitro kibocsátási vizsgálatok.

A dextrán nanorészecskékből származó Rosi in vitro felszabadulási profilját nanorészecskék 1 ml PBS pufferben (NaCl, 137 mM; KCl, 2,7 mM; Na2HPO4, 10 mM; KH2PO4, 2 mM; pH 7,4) 37 ° C-on történő inkubálásával értékeltük. orbitális rázógépen, amelyhez 100 mg/dL glükózt adtak, hogy elérjék az emberi test normoglikémiás szintjét. Előre meghatározott időpontokban a mintát centrifugáltuk (10000 fordulat/perc, 1 perc), és 10 μl felülúszót vettünk ki elemzésre az UV-vis abszorbancia 317 nm-en történő mérésével, Nanodrop 2000C spektrométerrel.

A Browning Agent MN Patch gyártása.

In vivo Browning vizsgálatok sovány egerekben.

Nyolc hetes C57BL/6 hím hím egereket használtunk, amelyeket Charles River-ből (Raleigh, NC) vagy a Jackson Laboratóriumból rendeltek be. Az állatkísérleti protokollokat az Észak-Karolinai Állami Egyetem Intézményi Állatgondozási és Felhasználási Bizottsága és az Észak-Karolinai Egyetem a Chapel Hill-en, vagy a Columbia Egyetem Állatgondozási és Hasznosítási Bizottsága hagyta jóvá. Az egereket 22 ± 1 ° C-on ketrecbe helyeztük, szabad hozzáféréssel a vízhez és rendszeres chow-étrendhez 12 órás világos/sötét ciklus alatt. Az egereknek legalább 1 hét adaptációt adtak a kísérletek előtt. Három állatcsoportot (n = 6) kezeltünk üres HA MN tapasszal (EV), Rosi NP-vel töltött MN tapasszal (10 mg/kg) (Rosi) vagy> CL316243 NP-vel töltött MN tapasszal (1 mg/kg). (CL), inguinalis régiókban 3 naponta. Közvetett kalorimetriás vizsgálatok céljából az egereket átfogó laboratóriumi állat-ellenőrző rendszernek (CLAMS) vetették alá. A kezelés során figyelték meg az anyagcsere aktivitását, beleértve az oxigénfogyasztást, az étel bevitelét, a mozgásszervi aktivitást és a testsúlyt. A beadás után hat nappal az állatokat feláldoztuk, és inguinalis zsírszöveteket gyűjtöttünk szövettani és RNS-analízishez. Az interscapularis BAT-t és az epididymális WAT-ot súlyoztuk.

Browning MN patch kezelések étrend által kiváltott elhízási egereken.

A hím C57BL/6 egereket HFD-vel (60% kcal zsírból) tápláltuk 8 héten keresztül, hogy elhízást és inzulinrezisztenciát váltsunk ki. Három csoportot, mindegyik csoportba öt egérrel kezeltünk üres HA-val, Rosi-val (10 mg/kg) vagy> CL316243 (1 mg/kg) egy transzdermális tapaszon keresztül a lágyék egyik oldalán izoflurán altatásban. Mindegyik egér inguinális szövetének másik oldalát üres HA mikrotű tapasszal adtuk be. A tapaszt 3 naponta cserélték 4 hétig. A testtömeget a kezelés ideje alatt figyeltük meg. A glükóz tolerancia tesztet egereken végeztük a kezelés után 3 héttel. Az egereket 16 órán át (egy éjszakán át) éheztettük glükóz beadása előtt. Az egereket intraperitoneálisan injektáltuk glükózzal 2 g/kg koncentrációban, PBS-ben hígítva, és a vércukorszintet idővel követtük nyomon. A 4 hetes MN-kezelés végén az állatokat CO2 fulladással eutanizálták, és elemzés céljából zsírszöveteket (inguinalis WAT, epididymális WAT és interscapularis BAT) gyűjtöttek. A kezelt területek körüli bőrszöveteket is összegyűjtöttük az MN tapaszok biokompatibilitásának értékelésére.

Kiegészítő anyag

rugalmas információ

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

Ezt a munkát az NC TraCS, az NIH Clinical and Translational Science Awards (CTSA, NIH Grant No. 1UL1TR001111) támogatása támogatta az UNC-CH-nél, valamint az NIH R00DK97455 (L.Q.) és a P30DK063608 (L.Q.) támogatások. Elismerjük az NC államban működő Analytical Instrumentation Facility (AIF) használatát, amelyet Észak-Karolina állam és a National Science Foundation (NSF) támogat. A törzsvizsgálatokat az UNC Research Opportunity Initiative által támogatott DTS delaminátorral végeztük. Valamennyi állatot a laboratóriumi állatok gondozásával és felhasználásával kapcsolatos útmutatónak megfelelően kezelték, amelyet az Észak-Karolinai Egyetem, a Chapel Hill és az Észak-Karolinai Állami Egyetem Intézményi Állatgondozási és Felhasználási Bizottsága (IACUC), vagy a Columbia Egyetem Állatgondozása jóváhagyott. és felhasználási bizottság.

Lábjegyzetek

A támogató információk ingyenesen elérhetők az ACS Publications webhelyén, a DOI címen: 10.1021/acsnano.7b04348.

Támogató kísérleti szakasz, az S1 táblázat és az S1 – S6 ábra, a szövegben leírtak szerint (PDF)

A szerzők kijelentik, hogy nincs versengő pénzügyi érdekük.