糖尿病患者常因微血管病變導(dǎo)致糖尿病潰瘍,約四分之一的患者在一生中會(huì)經(jīng)歷局部性潰瘍,形成大面積皮膚組織缺損,嚴(yán)重增加公共衛(wèi)生負(fù)擔(dān)。針對(duì)大面積創(chuàng)面修復(fù),多區(qū)域穿支皮瓣因由多條獨(dú)立血管組成、血供更為可靠,成為臨床常用的重建手段。
然而,多區(qū)域穿支皮瓣的遠(yuǎn)端預(yù)后受限于“Choke區(qū)”與潛在區(qū)的血流不足,尤其在糖尿病患者中,微血管損傷與氧化應(yīng)激加劇了組織壞死風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重影響術(shù)后成活率。為此,近年來(lái)的研究嘗試通過(guò)局部干預(yù)改善微循環(huán)與抗氧化環(huán)境,如利用L-精氨酸(L-Arg)促進(jìn)局部一氧化氮(NO)釋放,或應(yīng)用二甲雙胍(Metformin)保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞、修復(fù)線粒體功能。雖然各自療效已得到驗(yàn)證,但針對(duì)糖尿病皮瓣,NO與二甲雙胍聯(lián)合干預(yù)是否具有協(xié)同促進(jìn)愈合的效果,目前仍缺乏系統(tǒng)研究,有待進(jìn)一步探索。
針對(duì)上述問(wèn)題,武漢紡織大學(xué)楊紅軍、武漢大學(xué)中南醫(yī)院張冬、喻愛(ài)喜團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了一種可注射的治療性水凝膠(MSL@Z/G),用于對(duì)抗氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)并促進(jìn)糖尿病皮瓣手術(shù)后潛在區(qū)域的血管生成。該系統(tǒng)通過(guò)將L-精氨酸(L-Arg)修飾于ZIF-90上并負(fù)載鍶離子(Sr2?),形成Sr-L-Arg@ZIF-90(SL@Z)納米顆粒,隨后封裝二甲雙胍(Metformin),得到MSL@Z納米顆粒,并摻入GelMA水凝膠基質(zhì)。注射至皮瓣術(shù)區(qū)后,水凝膠經(jīng)紫外交聯(lián)快速凝膠化,實(shí)現(xiàn)藥物、離子和氣體的聯(lián)合遞送。MSL@Z具備ROS響應(yīng)特性,在高氧化環(huán)境中可持續(xù)釋放NO并清除H?O?,修復(fù)因糖尿病導(dǎo)致的內(nèi)源性NO缺陷,同時(shí)鍶離子和二甲雙胍協(xié)同促進(jìn)Choke區(qū)血管新生、降低ROS水平并抑制NF-κB通路,從而提高皮瓣潛在區(qū)的血供與成活率。該多功能水凝膠在糖尿病多區(qū)域穿支皮瓣治療中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。該文章于2025年4月5日以《ROS-Responsive Hydrogel Enables Drug/Ion/Gas Co-Delivery for Improving Survival of Multi-Territory Perforator Flap in Diabetes》為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》上(DOI:10.1002/adfm.202500586)。
研究示意圖
(1)SL@Z納米粒子的合成與表征
Sr-L-Arg@ZIF-90(記為SL@Z)納米粒子通過(guò)三步工藝合成:首先,咪唑-2-甲醛(2-ICA)和Zn(CH3COO)2·2H2O反應(yīng)生成ZIF-90;接著,將L-Arg的氨基與ZIF-90的醛基偶聯(lián),得到L-Arg@ZIF-90(記為L(zhǎng)@Z);最后,將Sr離子添加到L@Z中并與L-Arg的羧基反應(yīng),得到SL@Z(圖1A)。X射線衍射(XRD)圖譜表明,ZIF-90骨架在用L-Arg修飾后保持穩(wěn)定,且Sr離子修飾后其結(jié)構(gòu)完整性未顯著改變(圖1B)。傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)顯示,L@Z光譜中出現(xiàn)了一個(gè)新的吸收帶,對(duì)應(yīng)于L-Arg的C═N伸縮振動(dòng),表明L-Arg成功接枝到ZIF-90上,接枝率為79.4%(圖1C)。Zeta電位測(cè)試顯示,L-Arg接枝后顯著提高了ZIF-90的表面電荷密度,Sr離子的加入則部分中和了表面正電荷,使zeta電位略有下降,但SL@Z仍保留足夠正電荷以促進(jìn)與細(xì)胞膜的相互作用(圖1D)。掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示,ZIF-90的形貌在改性后基本保持不變,SL@Z的SEM粒徑較小且均勻,但水合粒徑較大(圖1E)。元素映射和能量色散X射線光譜(EDS)證實(shí)了SL@Z中C、O、N、Zn和Sr的均勻分布,表明L-Arg和Sr離子成功修飾(圖1F、G)。
圖1. SL@Z納米粒子的表征。A) 合成SL@Z納米粒子的示意圖。B) XRD圖譜,C) FT-IR圖譜,D) Zeta電位圖譜,以及E) ZIF-90、L@Z和SL@Z納米粒子的SEM圖像。比例尺:2 μm。F) SL@Z納米粒子元素映射的合并圖像和G) SL@Z納米粒子元素映射的分割圖像
(2)SL@Z納米粒子和MSL@Z/G水凝膠的制備與表征
如圖2A所示,通過(guò)將二甲雙胍封裝于SL@Z中制備MSL@Z納米粒子,并將其添加到GelMA中形成MSL@Z/G水凝膠。圖2B顯示,MSL@Z/G溶液呈淡黃色,而純GelMA溶液呈透明白色,且兩者均能在紫外線照射后固化。圖2C表明,SL@Z/G水凝膠的孔徑較小且均勻,表明SL@Z的添加增強(qiáng)了交聯(lián)效果;而MSL@Z/G的孔徑與SL@Z/G相當(dāng),說(shuō)明二甲雙胍的添加對(duì)孔徑無(wú)顯著影響。圖2D、E顯示,元素譜圖中C和O分布于整個(gè)水凝膠中,而Zn和Sr的濃度較低,這歸因于SL@Z的添加量有限。圖2F、G的流變學(xué)測(cè)試表明,SL@Z/G和MSL@Z/G的能量?jī)?chǔ)存模量(G′)明顯高于純GelMA水凝膠,且SL@Z和MSL@Z的加入提高了水凝膠的抗變形能力,從而增強(qiáng)了其機(jī)械性能。圖2H的壓縮性能測(cè)試顯示,SL@Z/G和MSL@Z/G的抗壓強(qiáng)度高于純GelMA水凝膠,但二甲雙胍的引入對(duì)機(jī)械性能無(wú)顯著影響。圖2I的溶脹和降解動(dòng)力學(xué)測(cè)試表明,SL@Z和MSL@Z的加入降低了水凝膠的溶脹能力和降解速度,這歸因于納米粒子對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響。圖2J顯示,MSL@Z/G在6天內(nèi)釋放的二甲雙胍量為0.136 mg/ mL,表現(xiàn)出快速初始釋放和隨后的穩(wěn)定釋放階段,使其成為糖尿病多區(qū)域穿支皮瓣的理想遞送系統(tǒng)。圖2K的體外釋放曲線表明,Zn和Sr離子在前24小時(shí)內(nèi)快速釋放,隨后緩慢增加,到第7天,累積濃度分別為10.23 μg/ mL(Zn)和0.71 μg/ mL(Sr),這些濃度低于細(xì)胞毒性水平,且Sr離子濃度足以促進(jìn)血管生成和抗炎。綜上所述,MSL@Z/G水凝膠具有良好的機(jī)械性能,可作為二甲雙胍、Sr和L-Arg的共遞送系統(tǒng),為糖尿病患者多區(qū)域穿支皮瓣的存活提供了新的選擇。
圖2. SL@Z 納米粒子和 MSL@Z/G 水凝膠的表征。A) 合成 a) MSL@Z 納米粒子、b) GelMA 和 c) MSL@Z/G 水凝膠的示意圖。B) MSL@Z/G 水凝膠凝膠化前后的照片。C) SEM 圖像顯示 GelMA、SL@Z/G、MSL@Z/G 水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。比例尺:500 μm。D) MSL@Z/G 水凝膠元素映射的分割圖像和 E) 合并圖像。比例尺:200 μm。F) 頻率掃描流變學(xué)、G) 振幅掃描流變學(xué)、H) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線和 I) GelMA、SL@Z/G、MSL@Z/G 水凝膠的溶脹曲線。J) MSL@Z/G 水凝膠中二甲雙胍的累積釋放曲線。 K)MSL@Z/G水凝膠中Zn和Sr離子的釋放
(3)MSL@Z/G水凝膠在氧化損傷下誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)ROS清除和抗凋亡活性
為了確定細(xì)胞環(huán)境中的H?O?是否能引發(fā)L-精氨酸釋放NO,利用DAF-FM DA熒光探針評(píng)估NO的積累,結(jié)果顯示在沒(méi)有H?O?時(shí),DAF-FM熒光亮度最低,表明L-精氨酸在正常細(xì)胞環(huán)境中穩(wěn)定存在;加入H?O?后,人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVEC)和RAW264.7細(xì)胞發(fā)射DAF-FM熒光,且熒光強(qiáng)度隨H?O?濃度升高而呈劑量依賴(lài)性增加(圖3A),表明ROS能夠激活細(xì)胞環(huán)境中的MSL@Z納米粒子,導(dǎo)致L-Arg的釋放,進(jìn)而產(chǎn)生NO。DCFH-DA和DHE熒光探針評(píng)估結(jié)果表明,與100 μm H?O?處理相比,400 μm H?O?處理誘導(dǎo)的綠色和紅色熒光強(qiáng)度更強(qiáng),表明細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生增加;與對(duì)照組相比,SL@Z/G和MSL@Z/G組的ROS表達(dá)顯著減少(熒光較弱),這主要?dú)w因于L-Arg釋放的NO,且MSL@Z/G組的ROS水平在所有組中最低,可能歸因于二甲雙胍的保護(hù)作用(圖3B、F)。線粒體膜電位測(cè)定結(jié)果顯示,細(xì)胞暴露于H?O?導(dǎo)致線粒體膜電位(MMP)耗散,綠色熒光增強(qiáng),而經(jīng)MSL@Z/G組處理的細(xì)胞線粒體完整性顯著保留,紅色熒光明顯,綠色熒光微弱(圖3C、G)。Annexin V/PI流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)顯示,與陽(yáng)性對(duì)照組相比,MSL@Z/G組細(xì)胞凋亡明顯減少,提示二甲雙胍可能對(duì)氧化應(yīng)激細(xì)胞的凋亡具有保護(hù)作用;SL@Z/G組的細(xì)胞凋亡率也明顯低于陽(yáng)性對(duì)照,說(shuō)明NO對(duì)400 μm H?O?誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡也能發(fā)揮明顯的抑制作用(圖3D、F)。QT-PCR檢測(cè)結(jié)果表明,SL@Z/G和MSL@Z/G處理均能減輕caspase依賴(lài)的凋亡途徑的激活(圖3I)。簡(jiǎn)而言之,這些數(shù)據(jù)表明二甲雙胍/NO輸送可以降低ROS水平,維持線粒體完整性,并抑制細(xì)胞凋亡(圖3E)。
圖3. MSL@Z/G 水凝膠的體外抗氧化和抗凋亡作用。A) HUVEC 對(duì) MSL@Z/G 的細(xì)胞攝取以及 H2O2刺激下 NO 的釋放。B) 用不同水凝膠和 100 或 400 μм H2O2培養(yǎng)12 小時(shí)后 HUVEC 的 ROS 染色(DCFH-DA 探針,綠色)。C) 用不同水凝膠和 400 μм H2O2培養(yǎng) 12 小時(shí)后 HUVEC 的 JC-1 聚集體(紅色)和 JC-1 單體(綠色)染色。陰性組無(wú)H2O2 ,陽(yáng)性組有400 μм H2O2。 D)流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)HUVECs與不同水凝膠及400 μм H2O2培養(yǎng)12小時(shí)后凋亡情況的代表性圖。陰性組不加H2O2,陽(yáng)性組有400 μм H2O2。E)MSL@Z/G水凝膠誘導(dǎo)HUVECs清除ROS示意圖。F)基于DCFH-DA染色定量水凝膠的ROS清除能力。G)JC-1染色定量聚集體/單體熒光強(qiáng)度比。H)凋亡細(xì)胞定量,包括早期凋亡細(xì)胞(AnnexinV + PI ?)和晚期凋亡細(xì)胞(AnnexinV + PI +)。 (I) 用水凝膠和 400 μм H2O2處理12 小時(shí)后 HUVEC 中凋亡基因 Bax、Bcl-2 和 Caspase 的相對(duì) mRNA 表達(dá)
(4)MSL@Z/G水凝膠的抗炎作用
為了研究MSL@Z/G水凝膠的體外抗炎作用,通過(guò)用LPS處理RAW264.7巨噬細(xì)胞并建立M1表型極化模型(圖4A)。免疫熒光染色結(jié)果顯示,對(duì)照組細(xì)胞呈現(xiàn)圓形巨噬細(xì)胞形態(tài)和清晰的CD86熒光,而MSL@Z/G組的巨噬細(xì)胞呈現(xiàn)長(zhǎng)梭形形態(tài),細(xì)胞伸長(zhǎng)率是Z/G組的1.95倍,且CD86熒光強(qiáng)度降低,CD206熒光強(qiáng)度升高,表明巨噬細(xì)胞可能從M1型復(fù)極化為M2型(圖4B、F)。流式細(xì)胞術(shù)分析顯示,對(duì)照組中M1和M2型巨噬細(xì)胞比例分別為26.63% ± 1.36%和1.68% ± 1.45%,而MSL@Z/G組M1巨噬細(xì)胞比例顯著降低(8.33% ± 0.67%),M2巨噬細(xì)胞數(shù)量顯著增加(18.53% ± 1.93%)(圖4C、G)。mRNA表達(dá)和細(xì)胞因子分泌結(jié)果表明,MSL@Z/G組炎癥細(xì)胞因子基因表達(dá)顯著下調(diào),抗炎細(xì)胞因子產(chǎn)生顯著增強(qiáng),且細(xì)胞因子分泌結(jié)果與mRNA表達(dá)一致(圖4D、F、H、I)。這表明MSL@Z/G水凝膠的ROS清除特性削弱了有害的促炎作用并促進(jìn)了M2表型極化,有助于健康的內(nèi)皮功能。
圖4. MSL@Z/G水凝膠調(diào)控巨噬細(xì)胞炎癥和極化。A) MSL@Z/G水凝膠誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞極化對(duì)免疫微環(huán)境平衡的影響示意圖。B) 用不同水凝膠培養(yǎng)第2天的RAW264.7細(xì)胞(LPS刺激后)的細(xì)胞核(藍(lán)色)、CD86(紅色)和CD206(綠色)的IF染色。C) 流式細(xì)胞術(shù)分析巨噬細(xì)胞極化情況。D) 用水凝膠處理第2天的RAW264.7細(xì)胞(LPS刺激后)中M1相關(guān)基因TNF-α、IL-1β和Cox2的相對(duì)mRNA表達(dá)。E) M2相關(guān)基因TGF-β1和IL-10的相對(duì)mRNA表達(dá)。 F)基于IF圖像的巨噬細(xì)胞CD86、CD206定量熒光強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。G)門(mén)控CD11b + F4/80 +細(xì)胞后M1細(xì)胞(CD86 + CD206- )和M2細(xì)胞(CD86 - CD206 + )的定量結(jié)果。H)用水凝膠處理第2天的RAW264.7(LPS刺激后)中促炎細(xì)胞因子TNF-α和IL-1β的ELISA分析。I)抗炎細(xì)胞因子TGF-β1和IL-10的ELISA分析
(5)轉(zhuǎn)錄組分析揭示MSL@Z/G水凝膠誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞極化途徑
為了探究MSL@Z/G水凝膠在巨噬細(xì)胞極化中的作用機(jī)制,對(duì)用LPS刺激的巨噬細(xì)胞與MSL@Z/G和Z/G水凝膠共培養(yǎng)的細(xì)胞進(jìn)行了RNA-seq轉(zhuǎn)錄組分析?;鹕綀D顯示,MSL@Z/G與Z/G組間有4514個(gè)上調(diào)基因和7567個(gè)下調(diào)基因,表明基因表達(dá)存在顯著差異(圖5A)?;虮倔w(GO)富集分析顯示,MSL@Z/G組減弱了炎癥反應(yīng)過(guò)程,導(dǎo)致炎癥因子表達(dá)降低,且增強(qiáng)了Notch信號(hào)通路,該通路是快速血運(yùn)重建和血管生成的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素(圖5B、E)。KEGG富集圖顯示了與抗炎相關(guān)的功能注釋?zhuān)∟F-κB和TNF信號(hào)通路,且Notch信號(hào)通路在KEGG TOP 30中被鑒定,抑制這些炎癥通路可能有助于減少血管內(nèi)皮損傷,建立有利于血管再生的免疫微環(huán)境(圖5C)。歸一化熱圖分析顯示,MSL@Z/G處理后,與炎癥和趨化因子相關(guān)的基因表達(dá)顯著下調(diào),而Notch通路基因上調(diào),這些基因與血管生成過(guò)程中的細(xì)胞遷移、增殖和存活有關(guān)(圖5D)。蛋白質(zhì)印跡試驗(yàn)結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,MSL@Z/G組的IκBα和IκBβ熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng),NF-κB、IL-1β、TNF-α和Cox2的熒光強(qiáng)度降低(圖5F、G)??傊?,二甲雙胍/Sr離子/NO聯(lián)合應(yīng)用可以抑制IκB的降解,從而降低NF-κB活化和隨后炎癥因子的分泌,有助于健康的內(nèi)皮功能和組織愈合(圖5H)。
圖5. MSL@Z/G水凝膠上巨噬細(xì)胞基因表達(dá)的生物信息學(xué)分析。A)差異表達(dá)基因轉(zhuǎn)錄組分析火山圖。B)MSL@Z/G與Z/G培養(yǎng)的巨噬細(xì)胞所有基因的GO分析。C)MSL@Z/G與Z/G的KEGG富集通路。D)NF-κB、TNF和Notch信號(hào)通路差異表達(dá)基因熱圖。E)GO term GSEA。F)IκBα、IκBβ、NF-κB、IL-1β、TNF-α和Cox2蛋白表達(dá)的Western印跡圖像。(G)基于Western印跡圖像的蛋白質(zhì)表達(dá)定量分析。H)MSL@Z/G水凝膠抑制NF-κB信號(hào)通路示意圖
(6)MSL@Z/G水凝膠的體外細(xì)胞增殖和血管生成
為了研究MSL@Z/G水凝膠對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞增殖和血管生成的影響,首先評(píng)估了其在正常條件下對(duì)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVECs)增殖的調(diào)控作用。Calcein-AM/PI染色結(jié)果顯示,MSL@Z/G水凝膠在24小時(shí)后具有良好的細(xì)胞相容性,且與對(duì)照組相比,MSL@Z/G組的細(xì)胞數(shù)量明顯增加,覆蓋面積更大(圖6A)。Cell Counting Kit-8(CCK8)結(jié)果表明,隨著時(shí)間推移,各組細(xì)胞增殖均增加,而SL@Z/G和MSL@Z/G組均加速了HUVECs的增殖,表明Sr離子和二甲雙胍的釋放對(duì)細(xì)胞增殖有積極影響(圖6E)。在氧化應(yīng)激條件下,通過(guò)劃痕實(shí)驗(yàn)評(píng)估內(nèi)皮細(xì)胞的遷移能力,結(jié)果顯示,12小時(shí)后MSL@Z/G組的傷口愈合率明顯高于SL@Z/G組,24小時(shí)后MSL@Z/G組的劃痕完全閉合,這歸因于二甲雙胍、Sr和NO的釋放促進(jìn)了細(xì)胞遷移(圖6B、F)。Transwell實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了MSL@Z/G組的HUVEC遷移能力增強(qiáng)(圖6C)。此外,通過(guò)管道形成實(shí)驗(yàn)評(píng)估血管生成能力,結(jié)果顯示MSL@Z/G組形成的管道數(shù)量是Z/G組的兩倍多,表明其抗氧化作用有助于恢復(fù)糖尿病微環(huán)境中的血管生成(圖6D、G)。RT-PCR結(jié)果表明,MSL@Z/G組顯著上調(diào)了血管化相關(guān)基因的表達(dá),包括HIF-1α、VEGF和eNOS,這與二甲雙胍刺激HIF-1α產(chǎn)生和Sr離子促進(jìn)VEGF誘導(dǎo)的血管生成一致(圖6H)。綜上所述,MSL@Z/G水凝膠通過(guò)持續(xù)釋放二甲雙胍和Sr離子,首先上調(diào)HIF-1α,進(jìn)而激活VEGF,隨后VEGF上調(diào)eNOS,產(chǎn)生內(nèi)源性NO,最終促進(jìn)大量VEGF的生成,加速再生血管中的血管生成,從而促進(jìn)皮瓣愈合(圖6I)。
圖6.MSL@Z/G水凝膠體外促進(jìn)HUVEC增殖和血管生成。A) 粘附于不同水凝膠表面24小時(shí)的HUVEC的活/死染色。B) 劃痕愈合實(shí)驗(yàn),檢測(cè)與水凝膠一起培養(yǎng)0至24小時(shí)的HUVEC的遷移情況。虛線表示劃痕邊緣。C) 與水凝膠一起培養(yǎng)的HUVEC 24小時(shí)Transwell遷移情況。D) 與水凝膠一起培養(yǎng)的HUVEC 6小時(shí)Matrigel管形成情況。E) 與水凝膠一起培養(yǎng)24、48和72小時(shí)的HUVEC的細(xì)胞增殖情況。F) 細(xì)胞遷移率量化。G) 節(jié)點(diǎn)和節(jié)段數(shù)量的量化。 H)用水凝膠處理第 7 天的 HUVEC 中血管生成基因 HIF-1α、VEGF 和 eNOS 的相對(duì) mRNA 表達(dá)。I)體外共培養(yǎng)體系和 MSL@Z/G 水凝膠刺激的 HUVEC 血管生成示意圖
(7)MSL@Z/G水凝膠促進(jìn)多區(qū)域穿支皮瓣成活
使用糖尿病大鼠多區(qū)域穿支皮瓣模型評(píng)估了MSL@Z/G水凝膠促進(jìn)血管化和組織再生的能力。通過(guò)結(jié)扎血管構(gòu)建了糖尿病單蒂多區(qū)域穿支皮瓣模型,TD為解剖區(qū),IC為動(dòng)力區(qū),IL為潛能區(qū),且存在Choke I和Choke II兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)域(圖7A、B)。宏觀上,對(duì)照組遠(yuǎn)端和外周吻合口出現(xiàn)明顯壞死,而水凝膠治療組壞死面積縮小,MSL@Z/G組愈合狀態(tài)接近理想狀態(tài)(圖7C)。激光散斑信號(hào)顯示,對(duì)照組Choke II區(qū)信號(hào)未增加且潛在區(qū)信號(hào)下降,而SL@Z/G和MSL@Z/G組的信號(hào)呈增加趨勢(shì),MSL@Z/G組表現(xiàn)出最有效的血管再生和血液運(yùn)輸,第7天整個(gè)皮瓣呈持續(xù)高信號(hào)(圖7D)。H&E和Masson染色結(jié)果顯示,對(duì)照組皮瓣膠原纖維排列紊亂且有大量炎性細(xì)胞和壞死細(xì)胞,而MSL@Z/G組皮瓣上皮結(jié)構(gòu)完整,血管組織豐富,膠原纖維排列整齊(圖7E)。
圖7.MSL@Z/G水凝膠提高糖尿病大鼠多區(qū)域穿支皮瓣成活率。A)建立2型糖尿病及多區(qū)域穿支皮瓣大鼠模型。B)多區(qū)域穿支皮瓣皮膚血管活體解剖圖。TD:胸背穿支(解剖區(qū));IC:肋間后穿支(動(dòng)力區(qū));IL:髂腰穿支(潛在區(qū));×:切斷結(jié)扎;Choke I區(qū):TD與IC之間;Choke II區(qū):IC與IL之間。C)術(shù)后第0、1、3、7天的皮瓣圖像及激光散斑圖像。比例尺:2cm。D)基于激光散斑圖像的皮瓣Choke II區(qū)血液灌注情況。 E)術(shù)后第7天,對(duì)皮瓣Choke II區(qū)進(jìn)行H&E染色和Masson染色。比例尺:低倍鏡下1毫米,高倍鏡下200微米
(8)MSL@Z/G水凝膠的體內(nèi)血管生成和抗炎作用
免疫熒光(IF)和免疫組織化學(xué)(IHC)分析用于研究水凝膠在多區(qū)域穿支皮瓣中的血管生成和炎癥反應(yīng)。ROS IF染色證明了SL@Z/G和MSL@Z/G水凝膠的過(guò)氧化物清除能力,而NO IF染色證實(shí)了其釋放L-Arg以在體內(nèi)遞送NO的能力(圖8A、D)。術(shù)后第7天,對(duì)照組TNF-α陽(yáng)性表達(dá)最高,而IL-10陽(yáng)性表達(dá)最低,提示以M1型巨噬細(xì)胞為主;MSL@Z/G組TNF-α陽(yáng)性細(xì)胞密度最低,而IL-10陽(yáng)性細(xì)胞密度最高,表明其促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M2表型極化,減輕炎癥反應(yīng)(圖8B、E)。流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)顯示,SL@Z/G和MSL@Z/G組的M2巨噬細(xì)胞比例明顯高于對(duì)照組和Z/G組,而M1巨噬細(xì)胞比例明顯低于對(duì)照組和Z/G組,與體外結(jié)果一致(圖8F、H)。CD31和Ang-1的IF染色顯示,MSL@Z/G組的微血管更大且更清晰,CD31和Ang-1陽(yáng)性細(xì)胞面積大于其他組,表明其促進(jìn)血管成熟(圖8C、G)。IHC染色顯示,MSL@Z/G組的MMP-2和MMP-9濃度最低,表明其減少M(fèi)MP蓄積,促進(jìn)皮瓣愈合(圖8I)。綜上所述,MSL@Z/G水凝膠在皮瓣抗氧化和抗炎方面發(fā)揮積極作用,改善糖尿病微環(huán)境以促進(jìn)血管新生(圖8J)。
圖8.MSL@Z/G 水凝膠增強(qiáng)糖尿病大鼠多區(qū)域穿支皮瓣 Choke II 區(qū)的血管生成和抗炎作用。A) 術(shù)后第 3 天,Choke II 區(qū)中的細(xì)胞核、ROS(紅色)和 NO(綠色)的 IF 染色。B) 術(shù)后第 3 天,Choke II 區(qū)中的細(xì)胞核、TNF-α(紅色)和 IL-10(綠色)的 IF 染色。C) 術(shù)后第 7 天,Choke II 區(qū)中的細(xì)胞核、CD31(紅色)和 Ang-1(綠色)的 IF 染色。D) 基于 IF 圖像的 ROS 和 NO 定量熒光區(qū)域。(E) 基于 IF 圖像的 TNF-α 和 IL-10 定量熒光區(qū)域。F) 在 CD11b + F4/80 +細(xì)胞上門(mén)控后,M1(CD86 + CD206 ?)和 M2(CD86 ? CD206 + )細(xì)胞的定量結(jié)果。G) 基于 IF 圖像的 CD31 和 Ang-1 的定量熒光區(qū)域。H) 代表性流式細(xì)胞術(shù)圖顯示術(shù)后第 7 天 Choke II 區(qū)周?chē)木奘杉?xì)胞極化。I) 術(shù)后第 7 天在 Choke II 區(qū)對(duì) MMP-9、HIF-1α、VEGF 和 eNOS 進(jìn)行 IHC 染色。J) MSL@Z/G 水凝膠改善糖尿病微環(huán)境以促進(jìn)皮瓣成活的示意圖
本研究開(kāi)發(fā)了一種基于MSL@Z/G的治療系統(tǒng),用于促進(jìn)糖尿病患者多區(qū)域穿支皮瓣的成活。該系統(tǒng)構(gòu)建了一種響應(yīng)性NO氣體輸送系統(tǒng),以ROS作為觸發(fā)因素,并結(jié)合了二甲雙胍和鍶離子的緩釋特性。在ROS升高的環(huán)境中,MSL@Z納米顆粒通過(guò)釋放NO激活抗氧化反應(yīng),同時(shí)二甲雙胍降低內(nèi)源性ROS的產(chǎn)生。此外,二甲雙胍、鍶離子和NO的聯(lián)合應(yīng)用促進(jìn)了M2巨噬細(xì)胞的表達(dá),并通過(guò)阻斷NF-κB信號(hào)通路抑制炎癥因子的浸潤(rùn)。 MSL@Z/G水凝膠通過(guò)HIF-1α/VEGF/eNOS通路加速了再生血管中的血管生成。細(xì)胞增殖和器官H&E染色結(jié)果證實(shí)了該系統(tǒng)的生物相容性。在糖尿病大鼠多區(qū)域穿支皮瓣模型中,MSL@Z/G水凝膠在Choke II區(qū)表現(xiàn)出良好的血管生成、炎癥抑制和過(guò)氧化物清除效果,確保遠(yuǎn)端皮瓣成活并用于組織修復(fù)。其可注射性和良好的機(jī)械性能使其易于應(yīng)用于不同大小的皮瓣。 綜上所述,MSL@Z/G水凝膠在糖尿病微環(huán)境中具有抗氧化/抗炎特性并促進(jìn)血管生成,為其未來(lái)在糖尿病多區(qū)域穿支皮瓣的臨床應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。
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