敗血症環境下での関節軟骨修復のためのツールとしてのNisinとLL-37抗菌ペプチドの評価

Evaluation of Nisin and LL-37 Antimicrobial Peptides as Tool to Preserve Articular Cartilage Healing in a Septic Environment.

• Ziba Najmi
• Ajay Kumar
• Alessandro C Scalia
• Andrea Cochis
• Bojana Obradovic
• Federico A Grassi
• Massimiliano Leigheb
• Meriem Lamghari
• Iraida Loinaz
• Raquel Gracia
• Lia Rimondini

抄録

軟骨の修復はいまだに臨床医にとっての課題であり、現在では有効な治療法は限られています。実際、手術は組織の自己修復能力が低いために制限され、自己移植は軟骨細胞の拡張能力が低いためにしばしば見送られています。生体材料科学は、損傷した組織を人工組織を模倣した足場で置換することに基づくユニークな代替手段を提供している。しかし、インプラント手術および足場自体は、病原体の抗生物質耐性の増加のために、現在のところインプラントの失敗の第一の理由となっている細菌感染の原因となり得る。そのため、感染とその結果としてのデバイス除去を防止するための代替的な抗菌ツールが緊急に必要とされている。本研究では、抗生物質に代わる抗菌剤として、手術部位への直接適用や、関節軟骨修復を目的としたデバイスのドーピングケミカルとして、NisinとLL-37ペプチドの役割を検討した。まず、ヒト間葉系幹細胞に対するペプチドの細胞親和性を調べ、安全な濃度を決定した後、グラム陽性菌、グラム陰性菌、病原菌に対する幅広い抗菌活性を検証した。ペプチドの選択的抗菌活性は細胞-細菌共培養アッセイで確認し、軟骨形成は組織修復をシミュレートするために分化経路内の干渉を排除するためにアッセイした。次の段階では、実験は、より生理学的に関連する環境モデルでペプチド活性を再検討するために、細胞単分子膜モデルから3D軟骨様スフェロイドに移動することによって繰り返された。最後に、スフェロイドモデルを灌流バイオリアクターに適用し、生理的環境内での循環ペプチドの存在下での感染をシミュレートしました。その結果、75μg/mlのNisinはLL-37よりも細胞適合性が高く、試験したすべてのモデルにおいて調査対象細菌に対して強力な力を発揮することが示されたため、非常に有望な候補として考えられることが示唆された。

Cartilage repair still represents a challenge for clinicians and only few effective therapies are nowadays available. In fact, surgery is limited by the tissue poor self-healing capacity while the autologous transplantation is often forsaken due to the poor expansion capacity of chondrocytes. Biomaterials science offers a unique alternative based on the replacement of the injured tissue with an artificial tissue-mimicking scaffold. However, the implantation surgical practices and the scaffold itself can be a source of bacterial infection that currently represents the first reason of implants failure due to the increasing antibiotics resistance of pathogens. So, alternative antibacterial tools to prevent infections and consequent device removal are urgently required. In this work, the role of Nisin and LL-37 peptides has been investigated as alternative to antibiotics to their antimicrobial performances for direct application at the surgical site or as doping chemicals for devices aimed at articular cartilage repair. First, peptides cytocompatibility was investigated toward human mesenchymal stem cells to determine safe concentrations; then, the broad-range antibacterial activity was verified toward the Gram-positive and as well as the Gram-negative and pathogens. The peptides selective antibacterial activity was verified by a cells-bacteria co-culture assay, while chondrogenesis was assayed to exclude any interference within the differentiation route to simulate the tissue repair. In the next phase, the experiments were repeated by moving from the cell monolayer model to 3D cartilage-like spheroids to revisit the peptides activity in a more physiologically relevant environment model. Finally, the spheroid model was applied in a perfusion bioreactor to simulate an infection in the presence of circulating peptides within a physiological environment. Results suggested that 75 μg/ml Nisin can be considered as a very promising candidate since it was shown to be more cytocompatible and potent against the investigated bacteria than LL-37 in all the tested models.

Copyright © 2020 Najmi, Kumar, Scalia, Cochis, Obradovic, Grassi, Leigheb, Lamghari, Loinaz, Gracia and Rimondini.