大家好，今天给大家分享一篇发表在《Advanced science》上的文章“A Multi-Responsive Hydrogel Combined With Mild Heat Stimulation Promotes Diabetic Wound Healing by Regulating Inflammatory and Enhancing Angiogenesis”，文章的通讯作者是宁波大学材料科学与化学工程学院赵玲玲副教授和汕头大学医学院附属深圳儿童医院谭慧。![]()
1．简介
糖尿病伤口的治疗在临床环境中构成了重大挑战，并深刻影响了患者的生活质量。在高血糖环境中，伤口更容易被细菌和其他微生物感染，甚至形成生物膜。持续感染会触发炎症趋化因子和蛋白酶的释放，损害免疫细胞功能，并放大炎症反应，从而使阻碍伤口愈合的“感染-炎症-破坏”的有害循环永久化。因此，糖尿病伤口微环境的相关管理，包括调节血糖水平、调节炎症反应、减轻ROS损伤、抑制细菌感染和促进血管生成，对于糖尿病伤口的有效愈合至关重要。
水凝胶敷料在伤口修复领域引起了广泛关注，因为它们能够创造湿润的微环境，促进营养物质和代谢物交换，促进细胞迁移，并最终帮助伤口愈合。此外，水凝胶可用作各种生物活性物质（如生长因子、药物、细胞和生物活性材料）的载体。这些物质可以在抗炎过程、抗氧化活性、血糖控制和血管生成中发挥干预作用，以进一步促进糖尿病伤口的愈合。因此，多功能水凝胶的开发对于糖尿病伤口至关重要，它可以通过包括抗氧化和抗菌作用、调节炎症反应和促进血管生成的多维协同作用来促进糖尿病伤口愈合。
2. 结果与讨论
【CPO/D@P/IGF-1C水凝胶的原理图】
如图1所示，作者开发了一种具有抗氧化、抗炎和光热特性的pH/ROS/葡萄糖多响应水凝胶用于糖尿病伤口愈合。通过CMCS-PBA和OXD的亚胺和苯基硼酸酯交联制备多功能水凝胶，并将IGF-1C和负载DFO的聚多巴胺纳米粒子掺入水凝胶中。IGF-1C是IGF-1的C结构域肽，具有12个氨基酸序列GYGSSSRRAPQT，已被确定为IGF-1蛋白的活性区域。聚多巴胺纳米粒子(PDA NP)被用作DFO的生物相容性载体来控制释放行为。DFO可以通过表面吸附以及PDA NP中丰富的醌基团与DFO中的氨基之间形成亚胺键而被负载到PDA NP中。此外，CMCS固有的抗菌活性可进一步增强水凝胶的抗菌能力，这是通过水凝胶与光热效应的结合实现的。因此，这种多功能水凝胶将通过多维度的协同作用打破“感染-炎症破坏”的恶性循环，包括清除ROS以减轻氧化应激、阻止细菌入侵以抑制感染、促进M2巨噬细胞极化以调节炎症因子的表达水平，从而调节糖尿病伤口的慢性炎症微环境。水凝胶敷料给药后，在糖尿病创面弱酸、高血糖、ROS升高的环境下，亚胺和苯硼酸酯的解离导致IGF-1C和DFO从水凝胶中加速释放，从而通过降低血糖、调节炎症、促进血管生成等作用加速糖尿病创面愈合。![]()
图1. CPO/D@P/IGF-1C水凝胶的合成示意图及该水凝胶联合温和热刺激促进糖尿病伤口愈合的机制。
【水凝胶的性能评价】
如图2A所示，对于CMCS-PBA和OXD溶液的混合物，G’超过G”，表明体系凝胶化迅速。G’和G”均随时间增加，并在几分钟内达到稳定状态。一旦水凝胶稳定形成，G’就与剪切频率无关，表明水凝胶具有良好的稳健性。CPO和CPO/D@P/IGF-1C水凝胶的SEM照片显示，水凝胶网络具有连续的多孔微结构（图2B），有利于物质的转移和交换。两片CPO水凝胶在并排放置5分钟后合并成一片水凝胶（图2C）。当水凝胶受到活动或外力损伤时，水凝胶的自修复特性有助于保持其完整性。CPO和CPO/D@P水凝胶的粘度随剪切速率的增加而降低（图2D），这种剪切变稀特性使水凝胶具有良好的可注射性。CPO水凝胶可以从注射器中挤出，在纸板上写出“NBU”字样（图2C）。在808nmNIR辐射下评估了CPO/D@P水凝胶的光热效应。含有不同量D@P（0、0.5、1.0、2.0和4.0mgmL−1）的CPO/D@P水凝胶在激光照射（1W、15cm、10分钟）下的温度分别达到26.1、29.5、37.8、41.4和53.0°C（图2E、2G），表明CPO/D@P水凝胶具有良好的光热效应。在三个NIR开启和关闭测试循环中，当NIR开启时，CPO/D@P-2水凝胶的温度在几分钟内达到41.4°C，当NIR关闭时，温度降至25°C（图2F），表明CPO/D@P-2水凝胶具有良好的光热稳定性。CPO/PDA NP水凝胶的溶胀率在最初3小时内迅速增加（203%），并在12小时内缓慢达到平衡（246%）（图2H）。在PBS中模拟37℃的生理环境下，CPO/D@P/IGF-1C水凝胶表现出了相当相似的溶胀性能。在水凝胶达到膨胀溶胀平衡后，对水凝胶的降解性能进行评估。在最初36小时观察到相对较快的降解速度，在后期降解速度减慢（图2I）。CPO/PDA NP水凝胶在48小时的剩余百分比为88.6±1.7％，然后在第12天逐渐下降至67.3±3.2％。对于CPO/D@P/IGF-1C水凝胶，在48小时的剩余百分比为93.3±1.3％，然后在第12天逐渐下降至72.5±1.1％。在不同pH值、H2O2和葡萄糖浓度的PBS中评价了IGF-1C和DFO在CPO/D@P/IGF1C水凝胶中的体外药物释放。可以观察到IGF-1C和DFO在水凝胶中的持续释放，并且在低pH值、高H2O2和葡萄糖浓度下药物释放加速（图2J）。水凝胶的拉伸率为72.9–75.8%，非常接近皮肤的延展性（60–75%）（图2K）。CPO水凝胶的最大压缩应力为70.5kPa，且水凝胶的最大压缩应力随PDA NP含量的增加而增大（图2L）。这些结果表明水凝胶具有令人满意的拉伸性和压缩性。黏附性能优良的水凝胶敷料能与组织黏附结合，封闭创面，防止感染。由于PDA NP的整合，CPO/D@P水凝胶的黏附强度大于CPO水凝胶（7.7±0.2kPa），且水凝胶的黏附强度随着PDA NP含量的增加而增大（图2M）。此外，CPO/D@P-2水凝胶在没有任何外力的情况下表现出对小鼠皮肤表面的优异黏附性。水凝胶牢固地粘附在自由扭转的小鼠皮肤上（图2N）。这些结果表明该水凝胶具有理想的机械性能和黏附性能，可应用于糖尿病伤口。![]()
图2. 水凝胶的流变性、形貌、自修复、可注射性、光热、膨胀和降解性能、体外药物释放行为、机械和粘合性能。A）水凝胶的G'和G”的时间和频率依赖性；（B）冻干CPO（左）和CPO/D@P/IGF-1C水凝胶（右）的截面SEM图像；C）水凝胶的自修复和可注射性能；D）水凝胶的剪切稀化性能；E）激光辐照下不同D@P含量的CPO/D@P水凝胶的升温曲线；F）CPO/D@P-2水凝胶在三个激光开启/关闭循环中的加热曲线；G）808nm下含有不同D@P含量的CPO/D@P水凝胶的红外热像。水凝胶在PBS中的溶胀H）和降解I）性质在37°C；J）不同pH值下DFO和IGF-1C从水凝胶中累积释放，H2O2和葡萄糖浓度；K）水凝胶的拉伸应力-应变曲线；L）水凝胶的压缩应力-应变曲线；M）水凝胶的粘合强度；（N）CPO/D@P-2水凝胶粘附在小鼠皮肤上的照片。
【水凝胶的抗氧化、抗炎和抗菌活性】
如图3A所示，水凝胶体系表现出良好的DPPH清除效率。孵育4小时后，与CPO/PDA NP和CPO/D@P水凝胶相比，CPO/D@P/IGF-1C水凝胶表现出更高的DPPH清除效率（80.3±1.6%）。此外，该水凝胶体系表现出优异的ABTS+•清除能力（图3B）。此外，通过细胞内ROS清除试验评估了水凝胶体系保护HSF细胞免受ROS损伤的能力。用H2O2处理的HSF细胞呈现可见的荧光，表明产生了过量的细胞内ROS（图3C、3D）。由于IGF1C具有出色的ROS清除能力，在用CPO/D@P/IGF-1C水凝胶孵育的HSF细胞中观察到明显的荧光猝灭。激活RAW264.7巨噬细胞并检测其炎症因子的表达水平，CPO/D和CPO/D@P/IGF-1C水凝胶均表现出良好的抗炎活性，且CPO/D@P/IGF-1C水凝胶的体外抗炎性能最好，显著降低IL-6和TNF-α的表达，显著提高IL-4和IL-10的表达（图3E-H）。这些发现表明，CPO/D@P/IGF-1C水凝胶可能有助于解决伤口炎症。体外实验评估了CPO/PDA NP、CPO/D@P、CPO/D@P/IGF-1C和CPO/D@P/IGF-1C+NIR对大肠杆菌（E.coli，革兰氏阴性菌）和金黄色葡萄球菌（S.aureus，革兰氏阳性菌）的抗菌活性。所有实验组均表现出明显的体外抗菌活性，暴露于水凝胶时，细菌菌落形成单位（CFU）数量显著减少（图3I）。水凝胶组对金黄色葡萄球菌的杀灭率>97.5％（图3J）。由于光热性能，CPO/D@P/IGF-1C+NIR组对大肠杆菌的体外抗菌活性明显高于其他组，对大肠杆菌的杀灭率达到99.7%。![]()
图3. 水凝胶表现出优异的抗氧化、抗炎和抗菌活性。DPPH（n=5）A）和ABTS+•（n=3）B）水凝胶的自由基清除效率；C）经H2O2刺激后用不同水凝胶浸出溶液处理的HSF细胞中的ROS信号图像；D）DCFH-DA（n=3）相对荧光强度的定量分析。用水凝胶处理的LPS激活的RAW264.7巨噬细胞上清液中IL-6E）、TNF-αF）、IL-10G）和IL-4H）的表达水平。I）细菌菌落暴露于不同水凝胶（不含或含NIR808nm）后的照片。J)细菌杀灭率。
【水凝胶加速糖尿病小鼠伤口愈合】
如图4A-C所示，对各组伤口进行拍照，追踪各伤口的闭合痕迹，并绘制伤口愈合曲线。水凝胶组的伤口大小收缩速度快于其他组，CPO/PDA NP、CPO/D@P/IGF-1C和CPO/D@P/IGF-1C+NIR治疗后3天的平均伤口愈合面积分别为43.8±2.1%、56.2±3.4%和62.9±1.3%，与对照组（23.5±2.8%）相比明显较高。第7天CPO/PDA NP组、CPO/D@P/IGF-1C组和CPO/D@P/IGF-1C+NIR组创面平均愈合面积分别增至74.1±1.4%、84.6±0.4%和84.6±4.0%，均大于对照组（58.7±1.6%）。CPO/D@P/IGF-1C+NIR组创面在第13天完全愈合，而CPO/PDA NP组、CPO/D@P/IGF-1C组和对照组创面平均愈合面积分别约为93.7±2.8%、96.2±2.8%和86.5±0.2%，提示CPO/D@P/IGF-1C水凝胶敷料与温和热刺激联合应用可进一步促进体内创面再生。在伤口愈合过程中监测每只小鼠的血糖水平。CPO/PDA NP组和对照组的血糖水平在实验期间缓慢升高，而CPO/D@P/IGF-1C和CPO/D@P/IGF1C+NIR组的血糖水平呈现明显的下降趋势（图4D）。为了进一步评估再生皮肤组织的质量，进行了Masson三色染色和H&E染色。根据H&E染色（图4E），在伤口愈合的早期（第5天），所有水凝胶组均未发现明显的炎症反应，而对照组在伤口部位可以观察到更多且染色质高度浓缩的炎症细胞。到第13天时所有组的炎症细胞均减少。然而，对照组在第13天仍然出现炎症细胞浸润（图4E），表明伤口仍处于炎症阶段，尚未进入再上皮化阶段。此外，第13天对照组和CPO/PDA NP组的上皮厚度明显厚于CPO/D@P/IGF-1C组和CPO/D@P/IGF-1C+NIR组（图4F），表明CPO/D@P/IGF-1C和CPO/D@P/IGF-1C+NIR组已度过炎症期并完成了上皮再形成。Masson三色染色（图4G）显示，各组胶原密度从第5天到第13天均增加，且CPO/D@P/IGF-1C+NIR组胶原沉积最多（图4H）。此外，CPO/D@P/IGF-1C+NIR组在第13天表现出比其他组更多的血管和毛囊。根据结果，CPO/D@P/IGF-1C+NIR组显示出最完整和最成熟的皮肤结构。![]()
图4. 水凝胶加速糖尿病小鼠伤口愈合。A)伤口愈合代表性图像；B)治疗期间伤口闭合痕迹；C)伤口愈合率曲线；D)伤口愈合过程中小鼠血糖水平；E)H&E染色伤口组织代表性图像；F)第13天伤口部位相对上皮厚度；G)Masson三色染色伤口组织代表性图像（红色箭头：上皮与真皮边界，橙色箭头：血管，绿色箭头：毛囊）；H)第13天伤口部位相对胶原含量。
3.总结与展望
作者开发了一种pH/ROS/葡萄糖响应和光热水凝胶，用于糖尿病伤口愈合。该水凝胶通过苯硼酸修饰的羧甲基壳聚糖(CMCS-PBA)和氧化葡聚糖(OXD)之间的交联形成，利用席夫碱和苯硼酸酯键。此外，胰岛素样生长因子1C结构域(IGF-1C)和负载去铁胺的聚多巴胺纳米颗粒(D@P)被整合到水凝胶中。该水凝胶表现出持续的药物释放、优异的光热效应、显著的抗氧化、抗菌和抗炎活性、理想的机械和组织粘合性能、增强的管形成和细胞迁移。此外，水凝胶与温和热处理相结合，可通过促进巨噬细胞从M1表型向M2表型的转变来调节慢性炎症，并通过上调血管生成相关因子（如HIF-1α、VEGF、CD31和α-SMA）的表达水平来增强血管生成，从而大大加速链脲佐菌素(STZ)诱发的糖尿病小鼠的伤口愈合。因此，这种多响应和多功能水凝胶具有作为糖尿病伤口治疗策略的潜力。长按关注本公众号，收看精彩内容！！！
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【文章链接】
https://doi.org/10.1002/advs.202408783
【DOI号】
10.1002/advs.202408783
IF=14.30
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