En ny studie publicerad i ACS Omega beskriver en hydrogel som kombinerar cannabidiol, CBD, och cannabinol, CBN, med agar, xantangummi och hydroxypropyl-β-cyklodextrin. Materialet har utvecklats med målet att skapa en biokompatibel plattform för kontrollerad frisättning av cannabinoider och möjliga användningar inom mjukvävnad, exempelvis som biomaterial för lokal behandling.
Forskarna bakom studien undersökte hydrogelens struktur, svällningsförmåga, frisättning av CBD och CBN, antibakteriella egenskaper samt hur materialet påverkar mänskliga hudfibroblaster i laboratorieförsök. Resultaten visar att hydrogelen kan hålla kvar cannabinoiderna och sedan frigöra dem under flera dygn. Samtidigt uppvisade framför allt CBD-formuleringen en tydlig antibakteriell effekt mot Staphylococcus aureus.
Därför kombineras CBD och CBN med cyklodextrin
Ett problem med cannabinoider i medicinska och biomedicinska tillämpningar är deras fysikalisk-kemiska egenskaper. CBD och CBN är hydrofoba ämnen och har begränsad vattenlöslighet. Det kan göra det svårt att utveckla vattenbaserade system som kan leverera ämnena på ett kontrollerat sätt.
I studien används därför hydroxypropyl-β-cyklodextrin, HP-β-CD. Cyklodextriner kan fungera som bärare för hydrofoba molekyler genom att kapsla in dem i sina hålrum. På så sätt kan cannabinoiderna integreras i ett mer vattenkompatibelt material.
Forskarna framställde först HP-β-CD-komplex med CBD respektive CBN. Dessa komplex byggdes sedan in i en hydrogel bestående av agar och xantangummi. Fyra olika formuleringar jämfördes: en hydrogel utan cyklodextrin eller cannabinoider, en med enbart cyklodextrin, en med CBD och en med CBN.
Varje cannabinoidinnehållande hydrogelbit var ungefär åtta millimeter i diameter och innehöll uppskattningsvis 90 mikrogram CBD respektive 60 mikrogram CBN.
Hydrogelen bildar ett poröst nätverk
Mikroskopiska analyser visade tydliga skillnader mellan kontrollmaterialet och hydrogelerna som innehöll cyklodextrin eller cannabinoidkomplex.
Kontrollhydrogelen hade en relativt kompakt struktur med mindre och mindre sammanlänkade hålrum. När cyklodextrin och cannabinoidkomplex infördes blev strukturen grövre och mer porös. Forskarna observerade sammankopplade mikro- och makroporer, vilket kan underlätta vätsketransport genom materialet.
Den porösa strukturen är viktig eftersom vatten kan tränga in i hydrogelen samtidigt som ämnen kan transporteras ut ur materialet. Forskarna kopplar därför materialets mikrostruktur till dess förmåga att svälla och frisätta cannabinoider.
CBD och CBN frigjordes under upp till 72 timmar
En central del av studien var att undersöka hur snabbt cannabinoiderna frigjordes från hydrogelen.
För CBD skedde den snabbaste frisättningen under de första timmarna. I fosfatbuffrad saltlösning, PBS, nådde frisättningen en platå nära den totala mängden CBD inom ungefär 12–24 timmar. I vatten var frisättningen något långsammare och nådde omkring 90–95 procent av den ursprungliga mängden vid senare tidpunkter.
CBN hade en långsammare frisättningsprofil. I PBS hade omkring 85–90 procent av den ursprungliga mängden frigjorts efter 48–72 timmar. I vatten låg den slutliga frisättningen omkring 80–85 procent.
Forskarna beskriver frisättningen som huvudsakligen diffusionsstyrd. Processen påverkas samtidigt av samspelet mellan cannabinoiderna, cyklodextrinet och polysackaridnätverket i hydrogelen. Den kinetiska analysen stödde framför allt första ordningens och Fu–Kao-modellen.
Det är viktigt att notera att experimenten inte studerade en fri cannabinoid som helt enkelt diffunderar ut ur materialet. Forskarna analyserade frisättningen från cyklodextrin–cannabinoidkomplexen, som sedan dissocierades vid analysen.
CBD-hydrogelen visade antibakteriell effekt mot Staphylococcus aureus
En av studiens mest intressanta observationer var skillnaden mellan CBD- och CBN-hydrogelerna i de antibakteriella testerna.
Forskarna testade materialen mot både Staphylococcus aureus, en grampositiv bakterie, och Escherichia coli, en gramnegativ bakterie.
Det var framför allt hydrogelen med CBD som visade en tydlig effekt mot S. aureus. I ett så kallat diskdiffusionstest kunde forskarna se en klar hämningszon runt CBD-hydrogelen. Motsvarande tydliga effekt observerades inte mot E. coli.
Resultaten bekräftades även i bakteriekulturer. Efter 24 timmar var kulturerna med E. coli fortfarande grumliga oavsett hydrogelbehandling. För S. aureus var däremot kulturen som behandlats med CBD-hydrogelen nästan helt klar, vilket indikerade en kraftig hämning av bakterietillväxten. Mätningar av optisk densitet stödde samma resultat.
Forskarna framhåller att resultatet ligger i linje med tidigare observationer där CBD har uppvisat större antibakteriell aktivitet mot grampositiva bakterier än mot gramnegativa bakterier. Studien visar dock inte att materialet fungerar som en färdig behandling mot infektioner, eftersom undersökningarna genomfördes i laboratoriemiljö.
Hydrogelen absorberade stora mängder vatten
Materialet hade också en mycket hög svällningsförmåga. Under de första timmarna tog hydrogelerna snabbt upp vatten och därefter fortsatte svällningen långsammare mot ett jämviktsläge under 72 timmar.
Samtliga formuleringar nådde svällningsnivåer på mer än 1 500 procent och upp mot omkring 2 600 procent. Forskarna fann samtidigt inga statistiskt signifikanta skillnader i svällningskinetik eller maximal svällning mellan de olika formuleringarna.
Det innebär att tillsatsen av cyklodextrin och cannabinoidkomplex inte förändrade hydrogelens övergripande förmåga att absorbera vatten på något dramatiskt sätt.
Den höga vattenhalten kan vara betydelsefull för ett biomaterial som ska ha kontakt med mjukvävnad. Den kan också bidra till transporten av de inkapslade ämnena genom materialet.
Materialet var stabilt under 60 dagar
Forskarna undersökte även hur mycket av hydrogelens massa som fanns kvar efter inkubering i PBS under upp till 60 dagar.
Resultatet var anmärkningsvärt stabilt. Hydrogelerna uppvisade endast försumbar massförlust och den kvarvarande massan låg nära 100 procent under hela studieperioden. Det fanns inte heller några signifikanta skillnader mellan de olika formuleringarna.
Forskarna tolkar detta som att materialet är mycket stabilt under de milda vattenbaserade förhållanden som användes i experimentet.
Samtidigt innebär den låga nedbrytningen att materialet inte automatiskt kan förväntas brytas ned snabbt i kroppen. Forskarna påpekar därför att eventuell biologisk nedbrytning i framtida tillämpningar kan behöva ske genom andra mekanismer än enkel hydrolys.
Hudceller visade inga tecken på tydlig toxicitet
En annan viktig del av arbetet var att undersöka hur hydrogelerna påverkade mänskliga hudfibroblaster.
Forskarna använde MTT-test för att mäta cellernas livskraft efter 1, 3 och 7 dagar. Inga statistiskt signifikanta skillnader hittades mellan de olika hydrogelgrupperna eller mellan de olika tidpunkterna. De cannabinoidinnehållande formuleringarna visade därmed ingen detekterbar cytotoxisk effekt under de testade förhållandena.
Även cellernas metabola aktivitet ökade över tid enligt Alamar Blue-testet. Fibroblasterna fortsatte alltså att vara metaboliskt aktiva och proliferera under den vecka som experimentet pågick.
Tester av cellernas förmåga att fästa vid materialet visade dessutom jämförbara resultat mellan de olika hydrogelerna och kontrollen.
Resultaten är lovande ur ett biomaterialperspektiv, men de ska inte tolkas som bevis för att hydrogelmaterialet är säkert eller effektivt i människor. Studien är en laboratoriestudie och ytterligare forskning krävs innan kliniska slutsatser kan dras.
Kan bli en plattform för lokal cannabinoidleverans
Forskarna bakom studien menar att kombinationen av agar, xantangummi och HP-β-CD kan skapa en användbar plattform för lokal och kontrollerad leverans av hydrofoba cannabinoider.
Materialet har flera egenskaper som är intressanta i detta sammanhang: det är starkt vattenabsorberande, har en porös struktur, kan hålla kvar cannabinoiderna och frigöra dem över tid. Samtidigt uppvisade formuleringarna god kompatibilitet med mänskliga hudfibroblaster i de genomförda laboratorietesterna.
Den selektiva antibakteriella effekten hos CBD-formuleringen är särskilt intressant. Den visar att hydrogelplattformen inte enbart kan fungera som ett passivt bärarmaterial utan även kan ge materialet en biologisk funktion.
Forskarna föreslår därför att tekniken kan vara relevant för framtida mjukvävnadsrelaterade biomaterial, lokal läkemedelsleverans och vävnadstekniska tillämpningar. Det återstår dock att undersöka hur materialen fungerar i mer komplexa biologiska miljöer och i levande organismer.
Vad studien faktiskt visar
Studien visar framför allt att det är tekniskt möjligt att kombinera HP-β-CD-komplex av CBD eller CBN med en agar–xantangummihydrogel och skapa ett stabilt, starkt svällande biomaterial.
CBD och CBN betedde sig samtidigt olika. CBD frigjordes snabbare och nådde i PBS nära fullständig frisättning inom 12–24 timmar, medan CBN frisattes långsammare och nådde omkring 85–90 procent efter 48–72 timmar i PBS.
Den tydligaste biologiska effekten sågs för CBD-hydrogelen mot Staphylococcus aureus. Någon motsvarande tydlig antibakteriell effekt observerades mot E. coli.
Samtidigt visade alla de testade formuleringarna god cytokompatibilitet med mänskliga hudfibroblaster under de sju dagar som försöken pågick.
Det är därför mer korrekt att beskriva resultaten som ett lovande proof-of-concept för en ny typ av cannabinoidinnehållande biomaterial än som en färdig medicinsk behandling.
Sammanfattning
- Forskare har utvecklat agar–xantangummihydrogeler med HP-β-CD-komplex av CBD eller CBN.
- Materialet är poröst, starkt vattenabsorberande och stabilt under de testade förhållandena.
- CBD frigjordes snabbare än CBN från hydrogelen.
- CBD-hydrogelen visade tydlig antibakteriell aktivitet mot Staphylococcus aureus.
- Ingen tydlig antibakteriell effekt sågs mot Escherichia coli.
- Hydrogelerna uppvisade ingen detekterbar cytotoxicitet mot mänskliga hudfibroblaster under sju dagar.
- Studien pekar på en möjlig framtida användning inom lokal kontrollerad leverans och biomaterial för mjukvävnad, men kliniska studier behövs innan medicinska slutsatser kan dras.
Källa:
