近期，四川大学的孙勇研究员和樊渝江教授在科爱创办的期刊Bioactive Materials上发表研究文章：可注射免疫调节水凝胶时序性驱动巨噬细胞表型极化促感染伤口愈合。通过整合抗炎组分和促炎溶剂构建了一种可注射免疫调节水凝胶(SrmE20)，时序性驱动巨噬细胞的表型极化(M0到M1，再到M2)，实现感染伤口的细菌清除和皮肤愈合。
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细菌感染严重影响皮肤伤口的愈合，甚至导致菌血症等严重后果。近年来，调控巨噬细胞表型极化以治疗细菌感染、促进感染创面愈合的研究成为生物医学领域的热点。促炎(M1)巨噬细胞分泌各种杀伤性细胞因子或进行吞噬作用帮助身体清除有害物质，抗炎(M2)巨噬细胞抑制组织炎症反应并促进再生。面对细菌抑制和组织再生这一对相互矛盾的过程，开发免疫调节生物材料，合理调节不同时期巨噬细胞的表型极化，可能是解决细菌性皮肤感染的有效策略。
壳聚糖(CS)是一种天然抗菌材料，能通过分子中的游离氨基有效抑制细菌，多酚化合物有免疫调节特性，其大量的酚羟基可调控炎症，促进巨噬细胞向M2表型极化。而乙醇(EtOH)作为最简单有效的皮肤表面抗菌物质，具有的高极性和高挥发性，可与体液完全互溶并易于有效去除，并通过诱导肝脏中巨噬细胞的活化和加剧炎症反应而引起肝损伤。因此，将多酚、CS和EtOH合理整合可在感染伤口处实现巨噬细胞表型(M0到M1，再到M2)的时序性调控，并重建合适的免疫微环境，实现逐步的细菌清除(M0 到 M1)和皮肤再生(M1 到 M2)。
本研究中，没食子酸修饰的壳聚糖(CS-G)和多巴胺修饰的丝素蛋白(SF-D)被用于提供再生蛋白微环境和后期调控M2巨噬细胞。EtOH/高碘酸钠 (NaIO4)溶液作为早期M1巨噬细胞诱导剂和交联剂引入，构建了可注射免疫调节水凝胶(SrmE20)。在早期通过水凝胶中的EtOH诱导巨噬细胞M1极化，有效清除细菌；随着EtOH的消耗，水凝胶网络中的酚羟基和阳离子逐渐诱导巨噬细胞的M2极化，恢复再生微环境，正向调控感染创面的再生过程。
图1.可注射免疫调节水凝胶通过时序性驱动巨噬细胞表型极化促进感染伤口愈合的示意图
一、可注射免疫调节水凝胶的优化和表征
首先，优化了NaIO4和EtOH的添加比例。结果表明，EtOH的加入使得水凝胶具有更低的氧化程度和更多的酚羟基，并且形成更多的β-sheet增强力学强度。水凝胶表现出良好的可注射性，可以粘附在形态复杂的皮肤表面并适应生理环境和皮肤变形。(图2)
图2.可注射免疫调节水凝胶的制备及相关理化表征
二、可注射免疫调节水凝胶对细胞增殖和迁移的影响
细胞实验证实，可注射免疫调节水凝胶能够时序性地调节细胞行为。早期通过EtOH抑制细胞的增殖和迁移，后期材料组分发挥作用，有效促进细胞的增殖和迁移。(图3)
图3. 可注射免疫调节水凝胶时序性调控细胞的增殖和迁移行为
三、可注射免疫调节水凝胶的体外抗菌性能
体外抗菌实验证明，材料组分本身具有一定的抑菌性能，EtOH的引入进一步提高了水凝胶的抑菌效果。(图4)
图4. 可注射免疫调节水凝胶潜在的抗菌机理和体外抗菌性能
四、可注射免疫调节水凝胶时序性驱动巨噬细胞表型极化
体外巨噬细胞极化和肌內植入实验表明，水凝胶在早期驱动巨噬细胞从M0极化到M1，发挥促炎作用，在后期驱动巨噬细胞从M1极化到M2，发挥抗炎作用，显示出其驱动巨噬细胞表型极化的连续性和时序性。(图5)
图5. 可注射免疫调节水凝胶时序性驱动巨噬细胞的表型极化
五、可注射免疫调节水凝胶促进感染伤口的细菌清除和皮肤愈合
在S. aureus感染的抗收缩全层伤口模型(Φ = 6 mm)中，水凝胶有效减少了细菌在伤口表面和内部的定植，更早的实现了M2巨噬细胞的极化，促进了皮肤的再生。(图6-8)
图6. 可注射免疫调节水凝胶用于金黄色葡萄球菌感染的抗收缩全层伤口模型
图7. 可注射免疫调节水凝胶抑制细菌定植，促进巨噬细胞M2极化加速再生过程
图8. 可注射免疫调节水凝胶促进胶原沉积、血管生成和毛囊再生
综上所述，使用EtOH/NaIO4交联CS-G和SF-D成功构建了富含酚羟基/阳离子的可注射免疫调节水凝胶。巨噬细胞从M0到M1的表型转化是通过EtOH的包封和释放实现的，在体外显著抑制了细菌的粘附和增殖。水凝胶结构中的酚羟基和阳离子调节巨噬细胞从M1到M2的抗炎转化，促进细胞的迁移增殖。抗收缩的感染皮肤伤口模型(Φ=6 mm)证实，这种可注射免疫调节水凝胶有效清除伤口表面和内部的定植细菌，加速驱动了M2巨噬细胞的极化，促进了血管的生成和皮肤中基质结构的恢复。这种可注射的免疫调节水凝胶可以时序性驱动巨噬细胞的表型极化，为感染伤口的治疗提供了材料设计灵感。
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该项工作得到了国家重点研发计划项目(No.2022YFC2401800)和国家自然科学基金 (32071352和32271419)的支持。
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Yuxiang Wang, Chen Zhou, Zhulian Li, Gong Li, Yaping Zou, Xing Li, Peiyang Gu, Jingyi Liu, Lang Bai, Hong Yan, Jie Liang, Xingdong Zhang, Yujiang Fan*, Yong Sun*, Bioactive Materials, 41 (2024) 193-206. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2024.07.015
Bioactive Materials 创建于2016年，自2019年被SCIE检索收录以来影响因子实现跳跃式增长(IF 2019: 8.724；IF 2020: 14.593；IF 2021: 16.874；IF 2022:18.9; IF 2023: 18)；JCR materials science, biomaterials 领域国际排名连续四年第一。此外， 2020年到2023年连续四年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表一区，Top期刊；入选材料科学综合类高质量科技期刊分级目录T1区。
