Anti-Inflammatory microparticles for the treatment of autoimmune diseases

Abstract

Inflammatory processes are a crucial part of the body’s response to damage by injuries and pathogens. However, it plays an important role in pathophysiology of, e.g. autoimmune diseases, and poorly healing wounds. Probiotic bacteria possess anti-inflammatory properties, making them candidates for treatment of inflammation. However, their origin as living organisms makes them unsuitable for therapeutic use in e.g. immunocompromised or immunosuppressed patients. Here, a novel bacteriomimetic therapeutic was developed by coupling the membrane vesicles (MVs) produced by two probiotic Lactobacillus casei and Lactobacillus plantarum to the surface of synthetic microparticles (MPs). The MVs were harvested from different bacterial culture conditions and characterized regarding their physicochemical properties and biological effect. The MVs showed no cytotoxic effects and suppressed the release of pro-inflammatory cytokines in vitro. Properties of the MVs depended on bacterial strain and culture conditions. MV-coated MPs showed anti-inflammatory effects in vitro and improved the restoration of barrier in an in vitro enterocyte model. Anti-inflammatory properties were also observed in a wound healing model, where the MV-coated MPs in a pharmacopoeial hydrogel improved healing of a tail wound in mice. This underlines the potential of probiotic bacteria MVs in antiinflammatory therapy and the advantages of coupling the MVs to synthetic MPs to create a bacteriomimetic system.

Entzündungen sind Bestandteil der Antwort des Körpers auf Verletzungen und Pathogene. Wird die Entzündung nicht adäquat reguliert, ist sie Teil der Pathophysiologie z.B. bei Autoimmunerkrankungen oder schlecht heilender Wunden. Der anti-inflammatorische Effekt probiotischer Bakterien macht sie zu Kandidaten für die Behandlung von Entzündungen, wobei ihre Eigenschaft als lebende Organismen sie für den Einsatz bei z.B. immunsupprimierten Patienten ungeeignet macht. Hier wurde ein bakteriomimetisches System entwickelt, in dem die Membranvesikel (MVs) von Lactobacillus casei und Lactobacillus plantarum auf synthetische Mikropartikel (MPs) gekoppelt wurden. Die MVs wurden aus verschiedenen Kulturbedingungen isoliert und ihre physikochemischen Eigenschaften und biologischen Effekte charakterisiert. Sie zeigten keine Zytotoxizität und unterdrückten in vitro die Ausschüttung pro-inflammatorischer Zytokine. Die Eigenschaften der MVs waren abhängig vom Stamm und den Kulturbedingungen. Die MVbeschichteten MPs waren anti-inflammatorisch in vitro und führten zu einer verbesserten Wiederherstellung der Barriere in vitro. Die anti-inflammatorischen Eigenschaften wurden in vivo gezeigt, indem die MV-beschichteten MPs, in einer Hydrogel-Matrix, die Wundheilung am Schwanz von Mäusen verbesserten. Diese Arbeit zeigt das Potential von MVs probiotischer Bakterien als anti-inflammatorische Therapeutika, sowie die Vorteile des bakteriomimetischen Ansatzes, die MVs auf synthetische MPs zu laden.