Development of scaffolds from natural polymers loaded with therapeutic drugs for skin reinnervation

Abstract

Chronic skin wounds pose a significant global health challenge, often leading to severe compli- cations, including lower extremity amputations in diabetic foot ulcers. Tissue engineering has seen var- ious attempts to develop bioengineered artificial skin substitutes to mitigate long-term effects and reduce healthcare costs related to this kind of wound. However, current products, such as Apligraf and Integra, have limitations in supporting complete skin regeneration and reinnervation, leading to scar tissue for- mation with reduced functionality. To address these concerns, electrospun fibers using porcine gelatin, fish gelatin, and chitosan in different combinations were produced and crosslinked with various agents (citric acid, glutaraldehyde, genipin, etc). Moreover, these fibers were also produced with and without quercetin, a natural pharmaceutical ingredient. To determine the most suitable fiber as a skin substitute a degradation assay was performed over the course of two months and fiber quality and size was evalu- ated through Scanning Electron Microscopy. The antioxidant activity and cytotoxicity of quercetin was studied using DPPH and resazurin assays, respectively. Furthermore, adhesion and proliferation assays were conducted with human neuroblastoma cells (SH-SY5Y) to evaluate cellular response in the scaf- folds. The results demonstrated that electrospun fibers crosslinked with citric acid maintained a higher percentage of their original structure during degradation when compared to other crosslinking agents. Additionally, porcine gelatin fibers crosslinked with citric acid provided an optimal environment for SH-SY5Y cells to adhere and proliferate, indicating the potential to promote skin reinnervation at the wound site. Quercetin-loaded scaffolds exhibited antioxidant properties, enhancing their therapeutic po- tential. In conclusion, the produced electrospun fiber scaffolds show promise as a viable option for skin substitutes with the ability to accommodate neuronal cells, potentially promoting skin reinnervation in chronic wounds. Further research is necessary to optimize fiber production conditions and assess proper skin functionality through neuronal differentiation assays.

As feridas crónicas cutâneas representam um problema de saúde global, levando frequentemente a complicações graves, incluindo amputações de membros. A Engenharia de Tecidos tem investido no desenvolvimento de substitutos artificiais da pele para atenuar os efeitos a longo prazo e reduzir os custos relacionados com este tipo de feridas. No entanto, produtos atuais, como o Apligraf e o Integra, têm limitações ao nível da regeneração e reinervação completas da pele, levando à formação de cicatri- zes com funcionalidade reduzida. Para resolver estas preocupações, foram produzidas fibras através de eletrofiação, utilizando gelatina de porco, gelatina de peixe e quitosano em diferentes combinações e reticuladas com vários agentes (ácido cítrico, glutaraldeído, genipina, etc.). Além disso, estas fibras foram também produzidas com e sem quercetina, um fármaco natural. Para determinar qual a matriz de fibras mais adequada, foi realizado um ensaio de degradação ao longo de dois meses, bem como a ava- liação da qualidade e diâmetro da fibra através de Microscopia Eletrónica de Varrimento. A atividade antioxidante e a citotoxicidade da quercetina foram estudadas utilizando ensaios de DPPH e resazurina, respetivamente. Além disso, foram realizados ensaios de adesão e proliferação com células de neu- roblastoma humano (SH-SY5Y) para avaliar a resposta celular nas fibras. Os resultados demonstraram que fibras reticuladas com ácido cítrico mantiveram uma maior percentagem da estrutura original, com- parativamente aos restantes agentes de reticulação. Adicionalmente, fibras de gelatina de porco reticu- ladas com ácido cítrico proporcionaram um melhor ambiente para as células aderirem e proliferarem, demonstrando potencial para reinervação da pele. As fibras com quercetina exibiram propriedades an- tioxidantes, aumentando o seu interesse terapêutico. Concluindo, as fibras produzidas por eletrofiação são promissoras para substitutos da pele capazes de acomodar células neuronais e promover a reinerva- ção da pele em feridas crónicas. Mais estudos são necessários para otimizar a produção das fibras e avaliar a diferenciação neuronal.