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Development and functional evaluation of a hyaluronic acid coated nano-formulation with kaempferol as a novel intra-articular agent for Knee Osteoarthritis treatment - 29/05/24

Doi : 10.1016/j.biopha.2024.116717 
Ching-Yu Lee a, b, c, d, Yu-Chu Chang a, e, Kai-Chiang Yang f, Yung-fang Lin g, h, Alexander T.H. Wu i, j, , Ching-Li Tseng g, h,
a International Ph.D. Program in Cell Therapy and Regenerative Medicine, College of Medicine, Taipei Medical University, Taipei 110301, Taiwan 
b Department of Orthopedics, Taipei Medical University Hospital, Taipei 110301, Taiwan 
c Department of Orthopaedics, School of Medicine, College of Medicine, Taipei Medical University, Taipei 110301, Taiwan 
d Orthopedic Research Center, Taipei Medical University Hospital, Taipei 110301, Taiwan 
e Department of Biochemistry and Molecular Cell Biology, School of Medicine, Taipei Medical University, Taipei 110301, Taiwan 
f School of Dental Technology, College of Oral Medicine, Taipei Medical University, Taipei 110301, Taiwan 
g Graduate Institute of Biomedical Materials and Tissue Engineering, College of Biomedical Engineering, Taipei Medical University, Taipei 110301, Taiwan 
h International Ph.D. Program in Biomedical Engineering, College of Biomedical Engineering, Taipei Medical University, Taipei 110301, Taiwan 
i The Ph.D. Program for Translational Medicine, College of Medical Science and Technology, Taipei Medical University, Taipei 11031, Taiwan 
j Clinical Research Center, Taipei Medical University Hospital, Taipei Medical University, Taipei 110301, Taiwan 

Correspondence to: The PhD Program of Translational Medicine, College of Medical Science and Technology, Taipei Medical University, Taipei 110301, Taiwan.The PhD Program of Translational Medicine, College of Medical Science and Technology, Taipei Medical UniversityTaipei110301Taiwan⁎⁎Corresponding author at: Graduate Institute of Biomedical Materials and Tissue Engineering, College of Biomedical Engineering, Taipei Medical University, Taipei 110301 , Taiwan.Graduate Institute of Biomedical Materials and Tissue Engineering, College of Biomedical Engineering, Taipei Medical UniversityTaipei110301Taiwan

Abstract

Knee osteoarthritis (OA) involves articular cartilage degradation driven mainly by inflammation. Kaempferol (KM), known for its anti-inflammatory property, holds potential for OA treatment. This study investigated the potential of hyaluronic acid (HA)-coated gelatin nanoparticles loaded with KM (HA-KM GNP) for treating knee OA. KM was encapsulated into gelatin nanoparticles (KM GNP) and then coated with HA to form HA-KM GNPs. Physical properties were characterized, and biocompatibility and cellular uptake were assessed in rat chondrocytes. Anti-inflammatory and chondrogenic properties were evaluated using IL-1β-stimulated rat chondrocytes, compared with HA-coated nanoparticles without KM (HA GNP) and KM alone. Preclinical efficacy was tested in an anterior cruciate ligament transection (ACLT)-induced knee OA rat model treated with intra-articular injection of HA-KM GNP. Results show spherical HA-KM GNPs (88.62 ± 3.90 nm) with positive surface charge. Encapsulation efficiency was 98.34 % with a sustained release rate of 18 % over 48 h. Non-toxic KM concentration was 2.5 μg/mL. In IL-1β-stimulated OA rat chondrocytes, HA-KM GNP significantly down-regulated RNA expression of IL-1β, TNF-α, COX-2, MMP-9, and MMP-13, while up-regulating SOX9 compared to HA GNP, and KM. In vivo imaging demonstrated significantly higher fluorescence intensity within rat knee joints for 3 hours post HA-KM GNP injection compared with KM GNP (185.2% ± 34.1% vs. 45.0% ± 16.7%). HA-KM GNP demonstrated significant effectiveness in reducing subchondral sclerosis, attenuating inflammation, inhibiting matrix degradation, restoring cartilage thickness, and reducing the severity of OA in the ACLT rat model. In conclusion, HA-KM GNP holds promise for knee OA therapy.

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Graphical Abstract




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Highlights

Kaempferol limits knee osteoarthritis treatment with low solubility and bioavailability.
Hyaluronic acid-coated kaempferol nanoparticles (HA-KM GNP) release slowly, enhance uptake, and prolong drug retention.
HA-KM GNP show anti-inflammatory, anti-catabolic, and chondrogenic effects in vitro.
HA-KM GNP ease inflammation, alleviate osteoarthritis, and promote cartilage regeneration in vivo

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Keywords : Kaempferol, Nanoparticle, Knee osteoarthritis, Intra-articular delivery, Anti-inflammation, Chondrogenesis


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