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中科院深圳先進院趙曉麗/潘浩波/邊少荃團隊 CEJ：負載鈰摻雜生物活性玻璃的可注射水凝膠利用活性氧消除功能治療糖尿病慢性創面

2024-01-31 來源：高分子科技

糖尿病創面特殊的病理環境使其難以得到令人滿意的治療，在世界范圍內已經造成大量截肢甚至死亡，是全球醫療保健系統面臨的最嚴重問題之一。糖尿病創面的高血糖微環境會引起活性氧(ROS)過度產生，導致各種生物大分子和細胞的氧化應激損傷，這又進一步導致長期過度炎癥狀態，延緩了血管生成，傷口愈合受阻。單純使用活性氧清除材料或血管生成促進材料，對于治療糖尿病創面都有一定的局限性，忽略了調節創面微環境與促進血管生成的協同作用。因此，開發兼具抗氧化和血管生成雙重功能的傷口敷料有希望成為治療糖尿病創面的有效手段。

針對以上問題，中國科學院深圳先進技術研究院趙曉麗研究員、潘浩波研究員和邊少荃副研究員團隊，聯合北京積水潭等多家研究單位和醫院，利用甲基纖維素(MC)、鈰摻雜生物活性玻璃(CeBG)和季銨鹽殼聚糖(QCS)，制備了具有促進血管生成、清除活性氧和抗菌作用的多功能可注射溫敏性甲基纖維素水凝膠(M/Q/CeBG hydrogel)。利用裝載的CeBG，它能夠有效的消除創面過量ROS，保護細胞免受氧化應激損傷，以及促進真皮成纖維細胞增殖和遷移，引導血管網絡生成，從而加速糖尿病傷口愈合（圖 1）。該工作以“Antioxidative bioactive glass reinforced injectable hydrogel with reactive oxygen species scavenging capacity for diabetic wounds treatment”為題發表在國際期刊《Chemical Engineering Journal》上(Chem. Eng. J. 2024, 481, 148768)，邊少荃副研究員，潘浩波研究員和趙曉麗研究員為該文的通訊作者，中國科學院深圳先進技術研究院碩士研究生常浩、博士研究生田鵬飛和郝瀏智為文章共同第一作者。

圖 1. M/Q/CeBG hydrogel通過消除創面ROS和促進創面血管生成進行治療糖尿病慢性傷口的示意圖

該團隊首先采用溶膠-凝膠法成功制備了不同比例組成的CeBG。根據SEM的觀察，CeBG的粒徑在400 納米左右，Ce₅BG、Ce₁₀BG和Ce₁₅BG的EDS圖譜中，均觀察到Ce元素的存在，說明了CeBG的成功合成。此外，CeBG中的Ce呈現Ce³⁺和Ce⁴⁺兩種常見的氧化狀態，顯示出潛在的類似超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)的抗氧化活性（圖2）。

圖 2. BG和CeBG的合成與表征

體外試驗中，M/Q/CeBG hydrogel表現出優異的抗氧化性能。M/Q/CeBG hydrogel展現出高效的過氧化氫(H₂O₂)、羥基自由基(·OH)、超氧陰離子自由基(·O₂^-)和過氧亞硝酸鹽(ONOO^-，典型活性氮自由基RNS)清除能力。此外，M/Q/CeBG hydrogel可以在過量ROS環境中保護細胞免受氧化應激傷害（圖3）。

圖 3. CeBG納米顆粒與M/Q/CeBG hydrogel清除ROS的體外實驗

體外試驗中，M/Q/CeBG hydrogel展現出優秀的生物學功能。水凝膠具有良好的生物安全性，包裹細胞相容性和溶血安全性。利用CeBG降解過程中釋放的生物活性離子(Si²⁺和Ca²⁺等)，M/Q/CeBG hydrogel的浸提液可以促進人真皮成纖維細胞的增殖行為，人臍靜脈血管內皮細胞的遷移行為以及成血管行為。此外，利用負載的季銨鹽殼聚糖(QCS)，水凝膠展示出良好的抗菌性能，對大腸桿菌（革蘭氏陰性）和金黃色葡萄球菌（革蘭氏陽性）的殺滅率分別為99.11%和98.45% （圖 4）。

圖 4. M/Q/CeBG hydrogel的生物學功能和抗菌性能

基于糖尿病C57BL/6小鼠的全層皮膚損傷修復實驗結果表明，與其他材料組別相比，M/Q/CeBG hydrogel處理的創面表現出更快的傷口愈合速度，更優的在上皮化過程，更多的生成血管數量，以及更好的新生膠原沉積行為，表明了水凝膠負載的CeBG對于糖尿病傷口愈合的加速功效。

圖5. M/Q/CeBG hydrogel修復糖尿病小鼠的全層皮膚損傷

團隊對M/Q/CeBG hydrogel修復糖尿病創面的機制進行研究，結果表明水凝膠可以利用裝載的CeBG，降低炎癥反應和ROS水平，以及改善血管生成，促進創面愈合（圖6）。更深入的生物學機制研究結果證明，水凝膠通過消除過量ROS來調節NF-κb通路，從而減輕細胞遭受的氧化應激傷害與凋亡行為，改善了傷口愈合行為（圖7）。

圖6. M/Q/CeBG hydrogel修復糖尿病創面的免疫熒光分析

圖7. M/Q/CeBG hydrogel修復糖尿病創面的生物學機制

該研究為糖尿病創面的治療提供了一種頗具前景的水凝膠敷料，對于其他氧化應激相關疾病的治療也具有一定的借鑒意義。此外，本研究中使用的甲基纖維素被FDA認證為“公認安全(GRAS)”材料。生物活性玻璃，二氧化鈰和季銨鹽殼聚糖等也已經應用于臨床治療，因而M/Q/CeBG hydrogel具有良好的臨床轉化潛力。

該研究工作得到了國家重點研發計劃(2022YFC2403000)和國家自然科學基金等項目(32201125, 52203151)等項目的資助。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894724002535

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（責任編輯：xu）

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