慢性難治性傷口是全球醫(yī)療體系面臨的重大挑戰(zhàn),尤其常見于糖尿病、免疫功能低下和感染患者。隨著人口老齡化及糖尿病患病率的上升,其發(fā)病率不斷增長。不同于急性傷口依序經(jīng)歷炎癥、增殖和重塑階段,慢性傷口往往長期停滯于炎癥期,伴隨細(xì)菌生物膜形成、耐藥感染、ROS積累及血供不足,顯著阻礙組織修復(fù)。
為改善愈合效果,研究者開發(fā)了多種功能性敷料,具備抗菌、抗氧化、促增殖等作用,并在一定程度上促進(jìn)了由炎癥期向增殖期的轉(zhuǎn)變。然而,這些敷料大多聚焦于單一作用環(huán)節(jié),缺乏對愈合全過程的統(tǒng)籌調(diào)控,難以實現(xiàn)真正的功能性和無瘢痕修復(fù)。
瘢痕形成作為慢性傷口愈合后的常見結(jié)局,不僅影響皮膚結(jié)構(gòu)與功能,還嚴(yán)重降低生活質(zhì)量。目前常見的抗瘢痕策略多以TGF-β為靶點,但其在不同階段具有雙重作用,調(diào)控不當(dāng)反而可能干擾正常愈合。因此,尋找更具特異性的新靶點顯得更為關(guān)鍵。
針對上述問題,溫州醫(yī)科大學(xué)肖健/李正林聯(lián)合黑龍江大學(xué)李卓合作開發(fā)了一種具有分級釋放特性的愈合相自適應(yīng)水凝膠(F/R gel),用于慢性感染傷口的程序化調(diào)節(jié)。該水凝膠由ε-聚賴氨酸(εPL)與醛基透明質(zhì)酸(HA-CHO)通過席夫堿反應(yīng)制備,包裹εPL修飾的缺氧納米二氧化鈰(εPL-CeO_v)與共載堿性成纖維細(xì)胞生長因子(bFGF)和c-Jun siRNA的PLGA微膠囊(F/R MCs)。在弱酸性傷口環(huán)境中,水凝膠快速降解,優(yōu)先釋放εPL和εPL-CeO_v,實現(xiàn)抗菌和ROS清除,緩解局部炎癥。后續(xù)階段,F(xiàn)/R MCs逐步釋放bFGF促進(jìn)血管生成與細(xì)胞增殖,同時c-Jun siRNA抑制c-Jun過表達(dá),調(diào)控成纖維細(xì)胞亞型,進(jìn)而實現(xiàn)無瘢痕皮膚再生。該水凝膠還具備良好的粘附性和自修復(fù)能力,可適應(yīng)復(fù)雜創(chuàng)面。動物模型實驗表明,F(xiàn)/R gel可顯著加速慢性感染傷口的愈合過程,并有效減少瘢痕形成,展現(xiàn)出良好的治療潛力。本研究提供了一種有前景的再生策略,強(qiáng)調(diào)免疫調(diào)節(jié)和成纖維細(xì)胞亞型的調(diào)控,以實現(xiàn)無疤痕傷口修復(fù)。該文章于2025年4月20日以《A dynamically phase-adaptive regulating hydrogel promotes ultrafast anti-fibrotic wound healing》為題發(fā)表于《Nature Communication》上(DOI:10.1038/s41467-025-58987-w)。
(1)F/R 凝膠的制備與表征
F/R凝膠通過陽離子抗菌肽ε-聚賴氨酸(εPL)與醛基透明質(zhì)酸(HA-CHO)之間的可逆席夫堿反應(yīng)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),CeOv納米酶和負(fù)載bFGF/c-Jun siRNA的PLGA微膠囊(F/R MCs)均勻分布其中(圖1a)。F/R MCs經(jīng)W/O/W雙乳液法制備,平均粒徑為6.23?±?2.70?μm,表面光滑(圖1d),bFGF與c-Jun siRNA成功封裝(圖1e)。體外藥物釋放曲線表現(xiàn)為持續(xù)釋放(圖2k)。免疫熒光結(jié)果證實F/R MCs可有效下調(diào)成纖維細(xì)胞中c-Jun蛋白表達(dá)(圖1f)。
圖1 F/R凝膠的制備及表征。(a)F/R凝膠制備示意圖;(b)CeOv納米粒子的TEM圖像;(c)CeOv納米粒子的HRTEM圖像及晶格分析;(d)F/R MCs的SEM圖像;(e)F/R MCs的CLSM圖像,顯示FITC標(biāo)記的bFGF和FAM標(biāo)記的siRNA(綠色)裝入尼羅紅標(biāo)記的PLGA微囊(紅色);(f)熒光染色3T3細(xì)胞中c-Jun的表達(dá)(綠色)
HA-CHO中的醛基與εPL鏈(自由εPL或εPL-CeOv)中的氨基可迅速發(fā)生席夫堿反應(yīng),數(shù)秒內(nèi)形成F/R水凝膠(圖2a)。Ce元素均勻分布于網(wǎng)絡(luò)中(圖2b)。流變學(xué)數(shù)據(jù)顯示約3秒形成穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)(圖2c)。在0%–1000%剪切應(yīng)變范圍內(nèi),儲能模量(G’)與損耗模量(G”)隨應(yīng)變升高而下降,G”與G’的交點在770%左右,表現(xiàn)出剪切變稀特性(圖2d)。當(dāng)應(yīng)變恢復(fù)至1%時,凝膠回復(fù)至彈性主導(dǎo)狀態(tài),且該過程可反復(fù)循環(huán),表現(xiàn)出良好的注射性和自愈合性能(圖2e, f)。凝膠可穩(wěn)定黏附于皮膚及不同類型的小鼠新鮮傷口表面(圖2g),并具備良好拉伸性能(圖2h–j)。
F/R凝膠網(wǎng)絡(luò)主要由席夫堿鍵和靜電作用形成,可在微酸性環(huán)境下優(yōu)先解離,快速釋放小分子εPL和超小εPL-CeOv,實現(xiàn)抗菌與免疫調(diào)節(jié)功能。相比之下,PLGA微膠囊(F/R MCs)因粒徑大、降解慢,其載藥(bFGF/siRNA)釋放延后,用于后續(xù)組織再生(圖2k)。在中性PBS中,εPL-CeOv于前6天釋放量達(dá)91.13%;bFGF與siRNA分別在第7天累積釋放至約85%和74.48%。酸性環(huán)境(pH=4.5)可加速εPL-CeOv釋放,符合席夫堿鍵的酸敏特性。
該凝膠體系具有分級遞藥特性:①抗菌組分(自由εPL和εPL-CeOv)優(yōu)先釋放用于抑菌;②CeOv納米酶隨后釋放,清除ROS并調(diào)節(jié)炎癥;③bFGF與c-Jun siRNA在后期釋放,促進(jìn)血管新生、細(xì)胞增殖,并調(diào)控成纖維細(xì)胞亞型,實現(xiàn)對不同創(chuàng)傷愈合階段的按需精準(zhǔn)治療,有望實現(xiàn)快速抗瘢痕愈合(圖2l)。
圖2 F/R凝膠的表征。(a)凝膠制備示意圖;(b)F/R凝膠的SEM圖像及元素分布;(c)時間掃描流變圖;(d)交變階躍應(yīng)變從1%切換到800%時的流變變化;(f)凝膠的自愈合過程;(g)粘附性;(h)可拉伸性;(i)使用豬皮的代表性圖片;(j)拉伸應(yīng)變測試;(k)F/R凝膠組分在中性PBS(pH=7.4)和酸性PBS(pH=4.5)中的體外釋放特性;(l)無疤痕傷口愈合過程中F/R凝膠動態(tài)相位適應(yīng)性調(diào)節(jié)功能的示意圖
(2)F/R 凝膠的抗菌和抗生物膜活性
F/R凝膠對耐藥菌感染傷口具有顯著抗菌效果。以大腸桿菌(E. coli)、金黃色葡萄球菌(S. aureus)及耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)為模型菌株,環(huán)丙沙星(CIP)作為陽性對照,通過菌落計數(shù)及活死細(xì)菌染色評估其殺菌能力。εPL-CeOv、空白Gel及F/R凝膠均顯著降低菌落數(shù),效果與CIP相當(dāng)(圖3a, b),其中空白Gel的抑菌效果源于基質(zhì)中的εPL。F/R凝膠對革蘭陰性菌和陽性菌均有抑制作用,對E. coli與S. aureus的抑菌率達(dá)89%,對MRSA的殺滅率近95%?;钏谰旧炞C其可迅速誘導(dǎo)細(xì)菌死亡(圖3a, b)。生物掃描電鏡(Bio-SEM)觀察到細(xì)菌形態(tài)破壞,如變形、表面皺縮及破裂(圖3c)。
F/R凝膠可有效抑制生物被膜形成并破壞成熟生物被膜(圖3d)。結(jié)晶紫染色結(jié)果顯示,F(xiàn)/R凝膠對E. coli、S. aureus和MRSA生物被膜的抑制率分別為約95.08%、87.10%和87.89%。此外,凝膠對成熟生物被膜也具有破壞能力,破壞率分別為約82.53%、81.38%和71.35%(圖3e),活死菌染色進(jìn)一步證實其強(qiáng)分散能力(圖3e)。對生物被膜厚度、總量、粗糙度及熒光強(qiáng)度的多參數(shù)分析顯示,F(xiàn)/R凝膠破壞能力優(yōu)于CIP(圖3f, g)。F/R凝膠與空白Gel在破膜效率上無顯著差異,說明其抗生物被膜活性主要源自εPL與εPL-CeOv,F(xiàn)/R MCs的加入未削弱該功能。
圖3 F/R凝膠的體外抗菌和抗生物膜活性。(a)不同處理后細(xì)菌菌落及活/死染色檢測的代表性圖像;(b)菌落總數(shù)和活/死細(xì)菌的統(tǒng)計分析;(c)F/R凝膠處理前后細(xì)菌的掃描電鏡圖像(紅色箭頭表示細(xì)胞壁破裂變化);(d)F/R凝膠破壞生物膜效果的實驗圖解;(e)不同處理后成熟生物膜的結(jié)晶紫染色和活菌/死菌染色圖像;(f)成熟生物膜的生物膜評估值;(g)從(e)中CLSM平面量化的綠色熒光強(qiáng)度與生物膜深度的關(guān)系
(3)F/R 凝膠的抗氧化和抗炎活性
F/R凝膠中主要清除ROS的成分為εPL-CeOv,其通過Ce3?/Ce??的快速氧化還原循環(huán)實現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移(圖4a)。Blank Gel與F/R凝膠的ROS清除效率與純εPL-CeOv相當(dāng),而F/R MCs幾乎無清除能力(圖4b–f),說明εPL-CeOv與HA-CHO交聯(lián)未影響其抗氧化性能,且其在凝膠中均勻分布保障了整體抗氧化能力。
為揭示CeOv納米酶的原子級催化機(jī)制,進(jìn)行了密度泛函理論(DFT)計算。熱分解法合成的超小CeOv表面具有豐富的氧空位(圖4g),并伴隨Ce3?/Ce??可逆氧化還原對。電荷密度圖顯示氧空位導(dǎo)致電子重新分布并降低鄰近Ce的價態(tài)(圖4h);Bader電荷分析表明CeOv的Ce價態(tài)較完美CeO?表面降低約0.47?e?。CeOv (111)晶面對五種自由基的吸附能分別為:ABTS+?(?3.87?eV)、DPPH?(?3.97?eV)、H?O?(?4.83?eV)、?OH(?6.46?eV)、?O??(?7.46?eV),顯著高于CeO?(圖4i),表明其更強(qiáng)的吸附與催化活性。進(jìn)一步模擬了?O??歧化反應(yīng)和H?O?分解的關(guān)鍵中間體與反應(yīng)路徑,揭示其具備類似SOD和CAT的仿酶機(jī)制(圖4j)。
圖4 體外抗氧化活性和DFT計算。(a)F/R凝膠清除ROS能力示意圖;(b)對ABTS自由基的清除測試;(c)對DPPH自由基的清除測試;(d)對過氧化氫的清除測試;(e)對羥基自由基的清除測試;(f)對超氧陰離子的清除測試(n=3個獨立樣品);(g)缺氧CeOv納米酶的粒子模型及單胞構(gòu)型;(h)CeO2和CeOv的模擬電子密度圖,紅色虛線圓圈表示表面氧空位;(i)CeOv(111)面上吸附的ABTS??、DPPH?、H?O?、-OH和-O??自由基的優(yōu)化結(jié)構(gòu)俯視圖;(j)CeOv(111)面上模擬SOD類和CAT類催化過程的反應(yīng)能量曲線
過量ROS積累可誘發(fā)氧化應(yīng)激與炎癥反應(yīng),M1型巨噬細(xì)胞過度分泌炎癥因子又會進(jìn)一步促進(jìn)ROS產(chǎn)生,形成持續(xù)性炎癥–ROS正反饋循環(huán),導(dǎo)致異常傷口愈合。F/R凝膠在細(xì)胞水平被驗證具有中斷該循環(huán)的能力,包括清除細(xì)胞內(nèi)ROS、減少ROS損傷及抑制M1型極化(圖5a)。在tBHP誘導(dǎo)的3T3和HUVEC氧化應(yīng)激模型中,F(xiàn)/R凝膠組細(xì)胞內(nèi)ROS強(qiáng)度較tBHP組分別降低超過6倍和2倍(圖5b, c)。熒光圖像顯示,tBHP處理后ROS信號增強(qiáng),而F/R凝膠處理后ROS水平幾乎不可檢測(圖5d, e)。HPF染色進(jìn)一步證實其細(xì)胞內(nèi)ROS清除作用,并顯著提升細(xì)胞活力(圖5d)。F MCs與F/R MCs組間無顯著差異,表明bFGF具備增殖促進(jìn)作用;而F/R凝膠中εPL-CeOv同時清除氧化應(yīng)激,為細(xì)胞增殖提供良好微環(huán)境。
慢性傷口愈合早期,巨噬細(xì)胞易極化為促炎的M1型,分泌TNF-α、IL-1β、IL-6等炎癥因子及自由基,導(dǎo)致炎癥持續(xù)并延緩修復(fù)。抑制過度M1型極化有助于緩解炎癥并加速愈合。LPS刺激下,巨噬細(xì)胞CD86(M1標(biāo)志物)熒光強(qiáng)度顯著升高,表明其極化為M1型(圖5f);而F/R凝膠處理后CD86陽性率僅約2.56%,較LPS組下降約6.7倍(圖5g)。F/R凝膠中兩種成分協(xié)同抑制巨噬細(xì)胞活化:① bFGF可調(diào)控巨噬細(xì)胞表面受體表達(dá)及促炎因子產(chǎn)生,抑制NF-κB等信號通路;② 抗氧化的εPL-CeOv可清除細(xì)胞內(nèi)ROS,進(jìn)一步抑制M1極化。
圖5 F/R凝膠的細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激消除、巨噬細(xì)胞極化效應(yīng)和生物相容性評估。(a)細(xì)胞實驗圖解;(b)3T3和HUVEC細(xì)胞的DCFH-DA熒光流式細(xì)胞儀檢測;(c)細(xì)胞內(nèi)DCFH-DA熒光強(qiáng)度統(tǒng)計;(d)3T3細(xì)胞的DCFH-DA探針、HPF探針及活/死細(xì)胞染色熒光圖像;(e)相應(yīng)統(tǒng)計分析;(f)巨噬細(xì)胞上CD86標(biāo)記的流式細(xì)胞術(shù);(g)相應(yīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù);(h)紅細(xì)胞顯微圖像;(i)不同處理后的溶血率;(j)皮下植入試驗圖解;(k)F/R凝膠植入28天后皮膚組織的H&E染色圖像;(l)血常規(guī)和生化指標(biāo)
(4)F/R 凝膠的生物相容性評估
F/R凝膠具有良好生物相容性。溶血實驗顯示,F(xiàn)/R凝膠處理后紅細(xì)胞完整,離心上清液澄清透明,溶血率接近0%,與陰性對照相當(dāng);而陽性對照(去離子水)組紅細(xì)胞破裂,溶血率接近100%(圖5h, i)。在小鼠皮下移植F/R凝膠30天后,H&E染色顯示皮膚及主要器官無炎癥反應(yīng)或組織損傷(圖5j, k)。血常規(guī)及血清生化指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)(圖5l)。
(5)F/R 凝膠促進(jìn)小鼠感染 MRSA 的慢性傷口快速愈合
為評估F/R凝膠在體內(nèi)促進(jìn)慢性感染創(chuàng)面愈合的效果,在C57BL/6小鼠背部建立MRSA感染的全層皮膚缺損模型(直徑6.0?mm),并分別給予PBS(Control)、貝復(fù)濟(jì)凝膠(Beifuji)、F/R MCs、空白Gel和F/R凝膠處理(圖6a)。F/R凝膠組在第4、7、14天的創(chuàng)面面積最小,顯示顯著加快的愈合速度(圖6b;圖6c)。F/R凝膠處理4天后未愈合面積降至約63.25%,第7天降至約32.56%,而對照組同期分別為約89.51%和84.22%。第14天F/R凝膠組創(chuàng)面幾乎完全愈合,最接近正常皮膚。整體上,F(xiàn)/R凝膠將愈合時間縮短約6–7天,總愈合周期減少近三分之一。分階段分析顯示,F(xiàn)/R凝膠在愈合早期(第0–7天)顯著加快愈合,而后期愈合速率趨緩,有助于避免過度增生。同時,第4和7天,Control、Beifuji及F/R MCs組出現(xiàn)明顯感染及生物被膜形成,而Gel與F/R凝膠組感染跡象較輕。培養(yǎng)皿菌落分析顯示,F(xiàn)/R凝膠組細(xì)菌數(shù)量最少,第7天幾乎無菌落(圖6d, e)。綜合數(shù)據(jù)表明,F(xiàn)/R凝膠處理下創(chuàng)面可在第4–7天順利過渡至增殖期,而其他組仍處于感染或炎癥期。
圖6 F/R凝膠對小鼠MRSA感染慢性傷口的體內(nèi)快速愈合效果。(a)小鼠全動物實驗過程;(b)第0~14天傷口閉合的光學(xué)照片及模擬圖;(c)14天內(nèi)傷口面積變化曲線;(d)第2~7天傷口滲出物的菌落計數(shù)檢測及(e)代表性圖像;(f)DHE、CD86、CD206、CD31、VEGF、Ki67和DAPI的免疫熒光染色、H&E染色及馬森染色圖像,紅色箭頭標(biāo)記新生毛囊;(g)CD86、iNOS、IL-1β、TNF-α、CD206、Arg1、IL-10和Ki67的相對mRNA表達(dá)量
為系統(tǒng)評估愈合質(zhì)量,第4、7、14天分別取組織樣本進(jìn)行免疫熒光與組織病理學(xué)分析。第4天,Control、Beifuji及F/R MCs組顯示明顯的ROS(DHE染色)和M1型巨噬細(xì)胞標(biāo)志物CD86熒光信號,而Gel與F/R凝膠組信號較弱或幾乎不可見;M2型標(biāo)志物CD206則呈相反趨勢(圖6f)。qRT-PCR結(jié)果進(jìn)一步驗證上述趨勢(圖6g)。F/R凝膠通過抑菌、清除ROS、降低促炎因子,恢復(fù)創(chuàng)面氧化還原穩(wěn)態(tài),促進(jìn)炎癥期向增殖期過渡。第7天H&E染色顯示對照組炎癥細(xì)胞浸潤嚴(yán)重,而F/R凝膠組炎癥輕微(圖6f)。在增殖期(第7天),F(xiàn)/R凝膠組創(chuàng)面CD31和VEGF表達(dá)顯著上升,提示血管新生活躍(圖6f);同時Ki67表達(dá)最高,qRT-PCR顯示Ki67 mRNA表達(dá)較對照組提升近4倍,表明細(xì)胞增殖活躍,可能與bFGF釋放有關(guān)(圖6f, g)。值得注意的是,F(xiàn)/R凝膠組第14天再生皮膚中出現(xiàn)新生毛囊和皮脂腺,其他組幾乎未見(圖6f)。Masson染色進(jìn)一步顯示F/R凝膠組膠原沉積更成熟、排列更有序(圖6f)。
(6)F/R 凝膠可抑制小鼠受 MRSA 感染的慢性傷口疤痕的形成
在第28天外觀評估與組織病理學(xué)分析中,F(xiàn)/R凝膠組再生皮膚表現(xiàn)出更好彈性、色澤均勻、色素沉著減少、組織凹陷更少(圖7a)。對照組第21天瘢痕樣組織面積約為59.88%,第28天升至64.28%;而F/R凝膠組第21天為17.51%,第28天接近0%(圖7b)。色素評分結(jié)果顯示F/R凝膠組新生皮膚色調(diào)更接近正常(L值高,A值低)。
H&E染色分析表明F/R凝膠組表皮厚度(約20.54 μm)接近正常皮膚(約20.57 μm),而對照組厚度增至正常的6倍(圖7c, d)。薄表皮更有利于防止結(jié)痂或瘢痕形成,維持皮膚功能。F/R凝膠組還觀察到大量成熟皮膚附屬器形成,數(shù)量接近正常水平(圖7c, d)。免疫熒光標(biāo)記CK19進(jìn)一步證實毛囊生成(圖7d),同時再生組織中可見β3-Tubulin陽性的神經(jīng)束,提示F/R凝膠具有激活神經(jīng)修復(fù)潛力,促進(jìn)神經(jīng)重建。皮膚附屬結(jié)構(gòu)和神經(jīng)纖維的有序形成體現(xiàn)出F/R凝膠優(yōu)越的創(chuàng)面修復(fù)質(zhì)量。
圖7 F/R凝膠可緩解小鼠受MRSA感染的慢性傷口纖維化疤痕的形成。(a)第21~28天疤痕面積變化的光學(xué)照片及模擬圖;(b)治療后疤痕變化曲線及顏色分析(L值越高顏色越白,A值越高顏色越紅);(c)第28天表皮厚度和毛囊數(shù)量的H&E染色分析(n=6個獨立樣本);(d)第21~28天傷口組織的H&E染色、Masson染色及COL I、COL III、TGF-β、c-Jun、CK19、β3-Tublin和DAPI的免疫熒光染色圖像;(e)基于組織切片分析的膠原體積比、分形維度值和裂隙度值(n=3個生物獨立樣本);(f)第28天COL I、COL III和c-Jun的相對mRNA表達(dá)量(n=3個生物獨立樣本)
Masson染色結(jié)果顯示,F(xiàn)/R凝膠組膠原沉積更成熟,排列更有序且結(jié)構(gòu)更簡單(圖7d)。統(tǒng)計分析顯示F/R凝膠組膠原體積分?jǐn)?shù)(CFV)接近正常皮膚(約23.90% vs. 正常皮膚約20%),而對照組高達(dá)78.83%,提示其存在異常膠原沉積與嚴(yán)重纖維化(圖7e)。F/R凝膠組的空隙度(lacunarity)較高、分形維度較低,反映出多孔結(jié)構(gòu)及膠原排列均勻。膠原I主要維持組織結(jié)構(gòu),膠原III與彈性相關(guān)。F/R凝膠組中膠原I表達(dá)顯著降低,膠原III表達(dá)上升(圖7d–f),表明其具有抑制纖維瘢痕形成的潛力。c-Jun表達(dá)在F/R凝膠組顯著降低,TGF-β也下調(diào),表明siRNA干預(yù)c-Jun與TGF-β信號通路聯(lián)動抑制瘢痕形成。而F/R MCs組未能有效降低c-Jun表達(dá),可能因自由微膠囊在愈合過程中迅速丟失,凸顯凝膠系統(tǒng)的重要性。
(7)熒光激活細(xì)胞分揀(FACS)和轉(zhuǎn)錄組測序分析
第7天FACS分析結(jié)果顯示,F(xiàn)/R凝膠組網(wǎng)狀成纖維細(xì)胞比例顯著低于其他對照組,脂肪樣成纖維細(xì)胞比例則相反(圖8a, b)。網(wǎng)狀成纖維細(xì)胞過多會導(dǎo)致過量膠原沉積和基質(zhì)重塑紊亂,引發(fā)瘢痕形成;而F/R凝膠通過調(diào)控愈合過程中成纖維細(xì)胞亞群比例,促使脂肪樣成纖維細(xì)胞增多,有利于無瘢痕修復(fù)(圖8c)。同時,F(xiàn)/R凝膠組α-SMA(促纖維化肌成纖維細(xì)胞標(biāo)志物)表達(dá)保持在較低且穩(wěn)定水平,其他組則持續(xù)升高,提示真皮纖維化發(fā)展(圖8d, e)。盡管Sca-1(脂肪型成纖維細(xì)胞標(biāo)志物)表達(dá)變化不如α-SMA顯著,但F/R凝膠組在所有時間點的Sca-1表達(dá)均較高,進(jìn)一步支持其對纖維化調(diào)控作用(圖8d, e)。
為進(jìn)一步探究F/R凝膠促進(jìn)無瘢痕愈合的潛在機(jī)制,對第14天創(chuàng)面組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析。所有生物學(xué)重復(fù)樣本間的Pearson相關(guān)系數(shù)R2均大于0.92,表明數(shù)據(jù)可靠(圖8f)?;鹕綀D顯示F/R凝膠組共有318個差異表達(dá)基因,其中175個上調(diào),143個下調(diào)(圖8g)。彈性蛋白編碼基因Eln在F/R凝膠組顯著上調(diào),可能促進(jìn)創(chuàng)面彈性組織再生(圖8h)。此外,與血管再生(Myl7)、肌肉再生(Myog)、毛囊與附屬器再生(Sp6、Gsdma3、Elf5)相關(guān)的基因也顯著上調(diào)。與纖維化瘢痕形成相關(guān)的基因(如Ugt8a、Il-11、Gcgr、Tgfbr3l)顯著下調(diào),c-Jun表達(dá)也因siRNA干預(yù)而降低。KEGG通路富集分析顯示差異基因主要涉及IL-17、NF-κB、JAK-STAT、HIF-1和TGF-β等信號通路,參與調(diào)控炎癥、免疫、增殖和纖維化等愈合相關(guān)過程(圖8i)。GO分析表明,這些基因主要富集于細(xì)胞對TGF-β刺激的響應(yīng)等生物過程(圖8j)。
圖8 通過FACS和轉(zhuǎn)錄組測序分析細(xì)胞分子水平的潛在調(diào)控機(jī)制。(a)傷口組織FACS實驗過程示意圖;(b)成纖維細(xì)胞亞型的熒光激活細(xì)胞分選結(jié)果;(c)c-Jun沉默策略調(diào)控的成纖維細(xì)胞亞型示意圖;(d)第7、14和28天傷口組織中α-SMA和Sca-1的免疫熒光染色圖像;(e)α-SMA和Sca-1信號的平均熒光強(qiáng)度(n=3個生物獨立樣本);(f)測試樣本的皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣熱圖;(g)第14天F/R凝膠組與對照組的火山圖;(h)篩選出的參與愈合過程的差異表達(dá)基因熱圖;(i)差異表達(dá)基因的KEGG富集分析;(j)差異表達(dá)基因的GO富集分析
(8)F/R 凝膠促進(jìn)兔耳傷口無疤痕愈合
在兔耳瘢痕模型中評估F/R凝膠的抗瘢痕愈合效果。該模型由于缺乏創(chuàng)面收縮,常出現(xiàn)延遲上皮化并形成可重復(fù)的增生性瘢痕。通過切除全層皮膚(直徑8 mm)并感染MRSA構(gòu)建感染性創(chuàng)面(圖9a)。結(jié)果表明,F(xiàn)/R凝膠不僅加快愈合速度,還顯著抑制瘢痕形成(圖9b)。第14天,F(xiàn)/R凝膠組愈合率達(dá)約87.66%,優(yōu)于所有對照組(圖9c);第21天對照組出現(xiàn)明顯紅色增生性瘢痕,第28天仍未消退,瘢痕面積約為28.3 mm2,占初始創(chuàng)面的56.33%。F/R凝膠組再生組織在形態(tài)、色澤和觸感上均接近周圍正常皮膚。
超聲成像、H&E染色、Masson染色和瘢痕評價指標(biāo)分析(SEI、瘢痕厚度、隆起角度、色素沉著)進(jìn)一步確認(rèn)F/R凝膠組瘢痕最小(圖9d–f)。超聲與組織切片均顯示F/R凝膠組組織厚度接近正常皮膚,表皮厚度無明顯增厚。Masson染色中,對照組等顯現(xiàn)出粗大、紊亂、旋渦狀的膠原沉積特征,而F/R凝膠組膠原沉積較少且細(xì)胞密度較低,接近正常組織。在重塑期,膠原排列越集中有序,皮膚強(qiáng)度越高,愈合質(zhì)量越好。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),F(xiàn)/R凝膠組膠原纖維排列方向集中,類正常組織,其他組則分散無序(圖9g)。綜上,F(xiàn)/R凝膠在兔耳感染性創(chuàng)傷模型中可顯著加速創(chuàng)面閉合并有效抑制纖維化瘢痕形成,展現(xiàn)出良好的臨床轉(zhuǎn)化潛力。
圖9 F/R凝膠對兔耳增生傷口的無瘢痕愈合效果。(a)MRSA感染兔耳傷口建模及動物實驗示意圖;(b)第0~28天傷口愈合的光學(xué)照片、模擬圖及(c)統(tǒng)計數(shù)據(jù);(d)兔耳瘢痕效果評價指標(biāo)示意圖;(e)SEI、疤痕厚度、隆起角度和顏色測量的統(tǒng)計數(shù)據(jù);(f)兔耳傷口組織的超聲成像、H&E染色和馬森氏染色圖像;(g)基于馬森染色分析的膠原蛋白取向分布
目前,臨床上對慢性傷口(特別是耐藥菌感染所致)的有效治療手段有限,同時實現(xiàn)無瘢痕愈合更具挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)治療往往難以兼顧愈合速度與瘢痕抑制,亟需一種可動態(tài)調(diào)控創(chuàng)面修復(fù)過程的策略。
本研究開發(fā)了一種具有注射、自愈和黏附特性的分級釋放相應(yīng)水凝膠平臺(F/R gel),通過動態(tài)調(diào)控傷口微環(huán)境,實現(xiàn)創(chuàng)面從炎癥期到增殖期的順利過渡。在早期階段,εPL和εPL-CeOv通過抗菌和抗生物被膜作用迅速清除病原體,同時CeOv納米酶清除過量ROS、抑制M1型極化,從而調(diào)節(jié)局部免疫環(huán)境,縮短炎癥期。在后期階段,F/R微膠囊緩慢釋放bFGF與c-Jun siRNA,促進(jìn)細(xì)胞增殖與血管新生,并通過調(diào)控成纖維細(xì)胞亞群比例(減少網(wǎng)狀型,增加脂肪樣型)有效抑制纖維化瘢痕形成。在小鼠和兔耳感染創(chuàng)面模型中,該水凝膠顯著加速傷口閉合并抑制瘢痕增生,表現(xiàn)出優(yōu)越的再生與抗瘢痕修復(fù)效果。
綜上,F/R凝膠通過對傷口愈合階段的程序化調(diào)控,實現(xiàn)了抗感染、抗氧化、促愈合及抑制瘢痕的一體化治療策略,為難愈合慢性傷口的無瘢痕修復(fù)提供了新思路,具有良好的臨床轉(zhuǎn)化潛力。
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