The effect of silicone patch containing metal-organic framework on the suppression of Hypertrophic scar

Abstract

The hypertrophic scar (HS) is a skin condition caused by excessive fibrosis and is characterized by abnormal body reactions to wound healing with disordered collagens. Metal-organic frameworks (MOFs) are composite structures containing ions or clusters of metals and organic ligands that serve as a link between the ions. This study was designed to assess the efficacy of using MOFs for HS therapy in a rabbit ear model. Zr-based MOF-808 was developed and synthesized. The scanning electron microscopy and X-ray diffraction patterns were employed to observe the structure of the developed MOF-808 silicone patch. To develop an HS model, three thick circular wounds in New Zealand rabbit's ears (n=5) were created. Two weeks after the procedure, group 1 (control group) received no treatment, group 2 (positive control group) was treated with a silicone patch, and group 3 was treated with a silicone patch containing 0.2% MOF-808 over 3 weeks. Patches of silicone were changed every day. Photographs and biopsies for histological analysis were collected 35 days after surgery. Furthermore, H&E staining and Masson Trichrome staining were performed to assess the scar elevation index (SEI), as well as the epidermis thickness and collagen density. The expression of certain protein markers like TGF-β1, Collagen-1, and α-SMA were analyzed by Western blot. HS results on the 35th day post-operation showed a smoother, less visible, and flatter scar in the group 3 model. The scar hyperplasia was significantly reduced by 53.5% (p<0.05) in group 3 when compared to group 1. Moreover, the H&E staining results showed a reduction in SEI and epidermal thickness of 34.6% and 49.5%, respectively. In the MOF-808-loaded silicone patch group, the collagen density was 15.7% lower and was smoother than the control group. The expression of TGF-β1, Collagen-1, and α-SMA was 8.8%, 12%, and 21.3% in group 3 and 21.9%, 27%, and 39.9%, respectively in group 2. These results suggest a reduction in the expression of HS marker proteins in the MOF-808-loaded silicone group. MOF-loaded silicone patches eliminated the HS formation in rabbit ear models by inducing the proliferation and remodeling phases of the wound healing process, and therefore can be a potential preventative agent for HS treatment.

비후성 흉터는 상처 치유 과정에서 콜라겐 장애를 동반한 비정상적인 신체 반응을 특징으로 하는 과도한 섬유증에 의해 나타나는 피부 질환이다. 금속 나노 유기 구조체 (Metal-organic frameworks; MOF)는 이온 또는 금속 클러스터와 이온 간의 연결 역할을 하는 유기 리간드를 포함하는 복합 구조이다. 본 연구는 토끼의 비후성 흉터모델에서 금속 나노 유기 구조체의 치료효능을 검증하였다. 지르코늄 기반의 MOF-808는 최근 연구에서 개발 및 합성되으며, 개발된 MOF-808 실리콘 패치의 구조를 관찰하기 위해 주사 전자 현미경과 X 선 회절 패턴을 사용하였다. 비후성 흉터 모델을 만들기 위해 총 5마리의 뉴질랜드 토끼 귀에 각 3개의 원형의 상처를 만들었으며, 비후성 흉터를 만들기 위해 상처를 만든 후 2주간 관찰을 진행하였다. 이후 3주간 제 1군에 속하는 상처(대조군)은 치료를 하지 않았으며, 제 2군에 속하는 상처는 실리콘 패치를 이용하여 치료하였으며, 제 3군에 속하는 상처는 0.2% MOF-808이 함유된 실리콘 패치를 이용하여 치료를 진행하였다. 실리콘 패치는 하루 1회 교체하였다. 사진 촬영과 조직학적 분석을 위한 생검은 상처가 생긴 이후 35일 째에 실시하였다. 또한 흉터고도지수 (scar elevation index; SEI), 표피의 두께 및 콜라겐의 밀도를 평가하기 위하여 H&E 염색 및 Masson Trichrome staining을 진행하였다. Western blot을 이용하여 TGF-β1, Collagen-1 및 α-SMA와 같은 비후성 흉터의 특정 단백질 마커의 발현을 분석하였다. 상처 발현 이후 35일째 비후성 흉터를 비교한 결과 제 3군의 흉터가 더 부드럽고, 덜 눈에 띄며, 평평한 흉터로 확인되었다. 흉터의 과형성은 제 3군에서 제 1군에 비해 53.5%(p < 0.05)의 유의미한 감소가 있었다. 또한 H&E 염색을 통하여 SEI 및 표피의 두께가 각각 34.6%와 49.5%로 감소한 것을 확인할 수 있었다. MOF-808이 함유된 실리콘 패치를 이용하여 치료한 군은 대조군에 비해서 콜라겐의 밀도가 15.7% 낮았으며 상처가 더 부드러운 것을 관찰할 수 있었다. TGF-β1, Collagen-1 및 α-SMA의 발현은 제 3군에서 약 8.8%, 12%, 21.3%, 제 2군에서 약 21.9%, 27%, 39.9%로 감소한 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통하여 MOF-808이 함유된 실리콘 패치를 이용하여 치료할 경우 비후성 흉터의 단백질 마커 발현을 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 금속 나노 유기 구조체 가 함유된 실리콘 패치는 상처 치유 과정 중 증식 및 리모델링 단계를 유도함으로써 토끼 귀의 비후성 흉터를 감소시켰다. 이 연구를 통하여 금속 나노 유기 구조체 가 함유된 실리콘 패치는 비후성 흉터를 치료하고 예방하는 잠제적인 치료제가 될 수 있다고 제안한다.