Wound healing activity of (1->3),(1->6)-β-D-Glucan and interaction of cells with β-glucan/PLGA composite scaffold

Abstract

[한글]베타 글루칸은 주로 버섯, 효모 등의 미생물 세포벽을 구성하는 다당류로서, 면역반응을 증가시키는 물질로 알려져 왔다. 창상치유과정은 대식세포나 섬유아세포와 같은 다양한 세포들의 상호작용을 포함하며 주로 면역 반응에 의해 조절 된다. 초기 염증 반응 과정을 담당하는 대식세포는 활성화와 함께 일련의 면역 반응을 유도한다. 대식세포는 생체 내 및 생체 외에서 여러 가지 자극물에 의해 활성화되는데, 지금까지 보고된 활성인자로 cytokine, LPS (Lipopolysaccaride)등이 대식세포를 활성화 하여 종양이나 체내 기생체에 대항할 수 있는 면역활성을 유발시키는 가장 잠재력 있는 활성물질로 밝혀져 왔다. 본 연구에서는 흑효모로부터 추출한 (1→3),(1→6)-β-D-glucan이 섬유아세포나 지방유래줄기세포의 증식과 이동에 미치는 영향을 생체 외 실험을 통해 확인하고, 대식세포로부터 베타 글루칸의 면역 기능 활성을 확인하였다. 또한 창상의 수축을 반영하는 실험실내 모델인 섬유모세포에 의한 콜라겐 젤 수축 시험을 하였다. 베타 글루칸의 생물학적 활성을 최대한 살리기 위해 이를 생분해성 고분자인 PLGA에 혼합하여 섬유아세포, 지방유래줄기세포에 각각 처리하였을 때 세포의 부착, 증식에 미치는 영향을 밝혀 창상치유를 위한 지지체로써의 적용가능성을 확인하였다.

섬유아세포와 지방유래줄기세포의 증식과 이동 시험의 결과에서 (1→3),(1→6) 베타 글루칸은 사람의 성인 진피세포의 증식과 이동에는 효과를 갖는 반면 지방유래줄기세포의 이동에는 효과를 갖지만 증식에는 효과를 갖지 않았다. 또한 베타 글루칸은 대식세포에서 LPS에 의해 유도된 NO와 iNOS의 발현을 농도 의존적으로 억제함을 알 수있었다. 또한 염증반응에서 또다른 주요한 요소인 COX-2와 그의 생성물인 PGE2에 대해서도 iNOS와 유사하게 농도의존적으로 억제함이 확인되었으며 이는 염증 억제에 효과가 있음을 제시하고 있다. 창상의 수축을 반영하는 실험실내 모델인 섬유모세포에 의한 콜라겐 젤 수축도시험을 시행한 결과, 베타글루칸이 첨가된 배지를 배양액으로 사용한 경우 세포군에서 더 큰 폭으로 콜라겐 젤의 수축을 유도하였다. 이러한 결과는 (1→3), (1→6) 베타 글루칸의 적용이 창상 치유를 증진하는데 유용하다는 것을 의미한다.

베타 글루칸과 PLGA에 혼합한 지지체에 섬유아세포, 지방유래줄기세포에 각각 처리하였을 때 세포의 증식에 효과가 있었으며 생물학적 안전성 시험을 통해 독성이 없는 것으로 확인 되었다.

결론적으로, 1→3), (1→6) 베타 글루칸이 상처치유용 PLGA지지체에 함유되어 지지체의 성능을 향상시킬 가능성을 확인할 수 있었다.

[영문]β-Glucan is a natural product of glucose polymer, which has immune stimulatory activity, especially effective on wound healing. Wound healing is a highly complex physiological process that involves the interaction of various cells with diverse phenotypes such as macrophages, fibroblasts, and it is mainly mediated by immune reaction. It is generally accepted that wound healing is mediated by immune reaction and macrophage is a pivotal cell in wound repair. In actuality it has been reported that after the occurrence of wound, macrophages are activated and secrete a plethora of biologically active substances, such as nitric oxide.

In this study, we investigated the possible roles of β-glucans in skin wound healing process, especially in the aspect of adult human dermal fibroblast(aHDFs)/Adipose tissue-derived mesenchymal stem cells(ADSCs) activation-proliferation, migration and collagen gel contraction. β-glucans were tested for the ability as an anti-inflammatory factor using lipopolysaccharide(LPS)-stimulated macrophage cell line(RAW 264.7 macrophages). Finally, a porous electrospun scaffold was prepared by physically blending β-glucans and poly lactide-co-glycolide (PLGA). The interaction between cells and the β-glucan/PLGA composite scaffold such as attachment, proliferation, and the biosafety test were characterized.

The results of the cellular responses of aHDFs/ADSCs, such as proliferation and migration, were enhanced on the β-glucans. Moreover, β-glucans inhibited LPS-stimulated expression of nitric oxide synthase induction and inducible cyclooxygenase in a concentration-dependent manner. And the results of collagen gel assay also revealed that gel contraction was enhanced by the β-glucans. Additional to those in vitro evidences, topical administration of β-glucan was useful to promote wound healing. Furthermore, the cellular responses of aHDFs/ADSCs, such as attachment and proliferation, were enhanced on the β-glucan/PLGA composite scaffolds. The results indicated that cells interacted favorably with the scaffold. Using an biological safety test of β-glucan/PLGA composite scaffold, experiments was also performed in vitro for test groups as used in the above test. Under the conditions of this study, the test article extract showed nontoxic compared with negative control.

In conclusion, These findings suggested that β-glucan/PLGA composite scaffold can potentially be useful in enhancing the healing of chronic or trauma wounds.