功能性透明质酸/明胶水凝胶可加速糖尿病伤口的愈合过程

时间:2026年2月3日
来源:Carbohydrate Polymers

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糖尿病难愈性皮肤伤口的智能水凝胶治疗研究。本研究开发了一种基于透明质酸/明胶/PNIPAm的温敏自收缩水凝胶,集成抗菌肽IB-367和促血管生成肽Ten-2负载功能,有效抑制伤口细菌增殖并调控TGF-β1、α-SMA等愈合相关因子表达,实现动态适应皮肤形变和加速愈合的双重作用。

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杜倩倩|刘娟|丁传峰|王晓飞|李良生|冯倩|唐浩|周倩|余永生
中国上海交通大学医学院附属上海第一妇产科医院母婴医学与妇科肿瘤学研究所上海母胎医学重点实验室临床与转化研究中心

摘要

与典型伤口的恢复相比,大面积耐药性糖尿病伤口的愈合面临更大的挑战。组织工程和再生医学等先进方法展现出巨大潜力,例如透明质酸/明胶/聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)水凝胶,这种水凝胶具有温度敏感的自动收缩特性,并具备可注射的仿生机械功能。本研究选用了醛修饰的透明质酸(HA-CHO)和肼接枝明胶(Gel-ADH),通过席夫碱反应交联形成凝胶,再引入PNIPAm以加速伤口收缩,并负载促血管生成肽Ten-2和抗菌肽IB-367。体外和体内实验均证明了该水凝胶在加速和促进皮肤伤口愈合方面的有效性。该水凝胶能够持续有效地抑制伤口内细菌的生长,并上调促炎因子TGF-β1、α-SMA和p-Smad2的表达,这些因素均有助于糖尿病伤口的愈合。这种含有抗菌肽并加速伤口愈合的可注射水凝胶通过其仿生机械机制模拟了肌成纤维细胞的收缩特性,能够适应皮肤的动态变化,有助于治疗难以处理的糖尿病伤口,可能成为再生医学的良好选择。

引言

人体皮肤作为一道不可渗透的屏障(Harris-Tryon & Grice, 2022),保护身体免受物理和化学损伤(McBain et al., 2019),阻止病原体侵入并保持体内外的微妙平衡(Y. He et al., 2021)。多种因素会干扰伤口愈合过程,导致免疫反应减弱、炎症反应异常和血液循环不足(Guo et al., 2021)。值得注意的是,糖尿病是这些问题的主要诱因之一。过去几十年,社会进步和生活方式改变导致糖尿病病例激增,全球有4.25亿人受影响,对公共卫生构成严重威胁(S. L. Wong et al., 2015)。糖尿病伤口愈合困难的主要原因是高血糖引起的血管损伤,这阻碍了伤口的血液供应,并干扰了身体的炎症修复细胞因子,促使TNF-α和IL-6细胞因子从伤口部位释放(Liu et al., 2022)。另一个问题是,临床抗生素的静脉注射无法有效积聚在糖尿病伤口部位,还可能导致药物耐药性(Duan et al., 2022)。慢性伤口常常对常规治疗方法(如纱布敷料、皮肤移植和外科清创)产生抗性(Jiameng Wang et al., 2022; J. He et al., 2020)。尽管这些方法被广泛采用,但其在治疗慢性伤口方面的效果仍有待验证,因为它们依赖于渐进性和被动的愈合机制。因此,迫切需要开发利用再生医学促进糖尿病伤口修复的方法。
尽管现有的再生医学策略主要集中在伤口敷料的生化功能上(Gong et al., 2024),但对其产生的机械信号的工程化研究却相对较少,而这些机械信号具有加速伤口愈合的潜力(Xie et al., 2024)。智能多功能水凝胶已被开发出来,以克服传统再生医学的局限性(C. Li et al., 2024)。通过调整其结构和组成,可以制造出具有响应性、自愈性、形状记忆、导电性和监测性能的水凝胶(B. Zhao, 2024)。自愈性延长了水凝胶的使用寿命,防止运动过程中的损伤(Al-Handawi et al., 2024)。借鉴胚胎伤口愈合的显著再生能力——胚胎利用肌动蛋白纤维将胎儿皮肤伤口边缘拉拢,我们开发了一种创新的热敏型伤口敷料。这种新型敷料能够主动粘附在伤口部位并收缩,从而主动调节炎症反应,促进愈合过程。热敏特性是通过合成聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)(Dou & Feng, 2017)实现的,这种聚合物因其独特的防水性和在约32°C临界温度下的收缩能力而被广泛应用(S. Li et al., 2018)。由于PNIPAm水凝胶的临界溶解温度低于人体温度37°C,因此该敷料会自然收缩以响应体温变化,无需额外干预。
由于多重耐药细菌(如耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌MRSA)和超级细菌的出现和传播,传统抗生素已失去效力,导致无法治愈且快速繁殖的感染(Yan et al., 2019)。为此,人们采用了替代抗菌材料,如季铵化合物、纳米银和抗菌聚合物进行伤口治疗。特别是基于银的材料通过破坏细胞膜并释放Ag⁺表现出抗菌作用,但同时也存在免疫原性和细胞毒性风险(Shi et al., 2019)。因此,迫切需要开发能够有效支持伤口愈合过程的创新抗菌生物材料。天然存在的抗菌肽(AMPs)存在于多种生物体内(Lazzaro et al., 2020),并在对抗伤口相关细菌感染方面展现出巨大潜力。AMPs具有广谱抗菌活性(Rathinakumar et al., 2009)、高选择性(X. Zhang et al., 2022)和调节宿主免疫反应的能力(Liang et al., 2019),使其成为治疗伤口部位耐药细菌感染的首选方案(G. Li et al., 2023)。然而,AMPs的效果受伤口部位pH值的影响,可能影响其抗菌作用和整体愈合过程(Gawde et al., 2023)。此外,伤口渗出物中的多种蛋白酶会迅速降解AMPs,进一步降低其效果。一种实用的方法是将这些AMPs包裹在水凝胶敷料中,为伤口区域提供保护环境并确保持续释放(Tang et al., 2022),从而减少潜在的副作用,提高治疗的安全性和可控性(X. Zhou et al., 2020)。
透明质酸(HA)是皮肤细胞外基质的关键成分,以其优异的亲水性和保湿性能闻名,可为细胞迁移和组织再生提供湿润的微环境(Lou et al., 2018)。HA分子链上的羟基和可修饰位点允许引入醛基和其他功能基团,与明胶衍生物(Gel-ADH)发生动态席夫碱交联,赋予水凝胶快速凝胶化、可注射性和自愈能力。在慢性糖尿病伤口中,HA不仅提供高水分含量和渗出物管理,还作为递送和保护载体,改善伤口愈合环境(Xu et al., 2022)。将聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)加入水凝胶基质可加速伤口收缩(Zhang, Bai et al., 2023)。肽IB-367(RGGLCYCRGRFCVCVGR)对包括耐药菌株在内的多种病原微生物表现出强效抗菌作用(Mosca et al., 2000)。此外,糖尿病伤口中血管生成因子的失衡会阻碍愈合过程(Shao et al., 2023)。肽GEETEVTVEGLEPG(Ten-2)可模拟碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)和血管内皮生长因子(VEGF)在促进血管生成方面的作用(Chu et al., 2021)。
因此,我们假设由HA/Gel/PNIPAm@IB-367/Ten-2组成的可注射水凝胶(图1A)能够显著促进小鼠皮肤伤口闭合(图1B)。这种先进的水凝胶不仅增强了TGF-β1和p-Smad2的表达,还提高了促血管生成因子α-SMA的水平,同时降低了感染MRSA的糖尿病伤口中的促炎细胞因子IL-6的表达(图1C)。该水凝胶能够适应不规则伤口形状,有效抑制伤口部位的细菌增殖,并促进细胞增殖和迁移,使其成为出色的伤口敷料。此外,它在体内和体外实验中均表现出优异的生物相容性,是一种经济实惠、可重复使用、易于生产且疗效显著的解决方案,非常适合治疗难以愈合的糖尿病伤口。

材料、细胞系和动物

IB-367(RGGLCYCRGRFCVCVGR)和Ten-2(GEETEVTVEGLEPG)肽购自上海Apeptide有限公司(中国上海)。聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm,分子量约50 kDa)购自默克公司(德国达姆施塔特)。透明质酸(HA,药用级),分子量100–200 kDa(根据制造商提供的GPC数据)和纯度超过99%(符合制造商规格),购自山东Focus Freda Biotech有限公司(中国山东)。

HA/gel/PNIPAm水凝胶的制备和表征

如图S1C所示,水凝胶网络通过HA-CHO(图S1A)和Gel-ADH(图S1B)之间的动态席夫碱交联形成。具体来说,明胶主链上的伯胺基团(-NH₂)和接枝的酰肼基团(-CONHNH₂)分别与HA-CHO的醛基团(-CHO)反应,生成亚胺键(-CH=N-)和更稳定的酰肼键(-CH=N-NH-CO-)。

结论

总之,本研究通过开发一种多功能水凝胶,将主动仿生收缩与稳定的多靶点药物递送平台相结合,为糖尿病伤口提供了一种先进的治疗策略。这种集成设计超越了传统的被动伤口敷料,提供了物理和生化干预措施。受胚胎伤口收缩机制的启发,我们通过席夫碱反应将HA-CHO和Gel-ADH交联,开发出这种新型水凝胶。

CRediT作者贡献声明

杜倩倩:撰写——原始草稿,数据整理,概念构思。刘娟:正式分析,数据整理,概念构思。丁传峰:撰写——审稿与编辑,数据整理,概念构思。王晓飞:数据整理。李良生:正式分析。冯倩:方法学,正式分析。唐浩:撰写——审稿与编辑,数据整理,概念构思。周倩:撰写——审稿与编辑,数据整理,概念构思。余永生:撰写——审稿

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(82472162)、重庆市科技创新研发计划(CSTB2025TIAD-STX0045)、重庆市自然科学基金(CSTB2024NSCQ-MSX1294)、武汉市卫生健康委员会医学研究项目(WX20Q23)以及上海市母胎医学重点实验室开放研究基金(mfmkf202508)的支持。

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