Adv Sc：汕头大学联合宁波大学团队合作开发多响应和光热水凝胶，用于糖尿病伤口愈合

糖尿病伤口修复仍面临巨大挑战，如炎症调节紊乱和新生血管形成受损。

2024年10月22日，汕头大学Tan Hui、宁波大学赵玲玲共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“A Multi-Responsive Hydrogel Combined With Mild Heat Stimulation Promotes Diabetic Wound Healing by Regulating Inflammatory and Enhancing Angiogenesis”的研究论文。该研究开发了一种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表型转变来调节慢性炎症，并通过上调血管生成相关因子（如缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)、血管内皮生长因子(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。

糖尿病伤口的治疗在临床上具有重大挑战，并对患者的生活质量产生深远影响。伤口愈合一般可分为止血、炎症、增生和组织重塑四个阶段。急性伤口通常会有规律地经历这些阶段，最终在几周内愈合。然而，由于持续的高血糖和持续的炎症等恶劣的伤口环境，糖尿病伤口的这一过程被打乱。特定的高糖环境会破坏伤口愈合的生理级联反应，抑制从促炎性M1巨噬细胞表型向抗炎性M2巨噬细胞表型的转变，导致伤口床中促炎因子的长期释放和活性氧（ROS）和蛋白酶水平升高。升高的ROS和蛋白酶水平导致细胞外基质（ECM）破坏和生长因子降解，从而吸引更多的炎症细胞到病变部位。

此外，在高血糖环境下，伤口更容易被细菌和其他微生物感染，甚至形成生物膜。持续的感染会触发炎症趋化因子和蛋白酶的释放，削弱免疫细胞功能，并增强炎症反应，从而形成“感染-炎症-破坏”的恶性循环，阻碍伤口愈合。此外，糖尿病患者的高血糖水平还会导致晚期糖基化终产物(AGEs)的形成，进而引发炎症和ROS产生，导致新生血管形成受损。血管可以为伤口部位的细胞提供氧气和营养，并维持再生组织的生长。因此，受损的新生血管形成会严重阻碍伤口愈合功能，并进一步加剧伤口恶化。因此，对糖尿病伤口微环境进行相关管理，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，对于有效的糖尿病伤口愈合至关重要。

水凝胶敷料因其能够创造湿润的微环境、促进营养和代谢物的交换、促进细胞迁移并最终帮助伤口愈合而受到伤口修复领域的广泛关注。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，从而进一步增强糖尿病伤口的愈合。先前的研究表明，调节血糖水平可有效促进糖尿病小鼠的伤口愈合。在作者之前的工作中，通过交联希夫碱和苯硼酸酯开发了一种包覆胰岛素和成纤维细胞的pH和葡萄糖双响应可注射水凝胶，用于糖尿病伤口愈合。结果表明，由于胰岛素的持续释放，水凝胶通过降低血糖水平加速了糖尿病伤口的愈合过程。

然而，由于糖尿病伤口的生理微环境复杂，仅靠血糖控制是不够的。考虑到糖尿病伤口炎症期的延长严重阻碍了伤口愈合进入增殖阶段，已经开发出几种抗炎策略，包括通过抗氧化剂清除过量的ROS和促进M2巨噬细胞极化。刘等人设计了一种止血和抗炎双交联水凝胶，由甲基丙烯酰取代的白芨多糖和明胶甲基丙烯酸酯组成。由于白芨多糖具有调节巨噬细胞表型的功能，该水凝胶可通过调节伤口炎症微环境来促进糖尿病伤口愈合。

此外，引导血管生成对糖尿病伤口愈合也很重要，因为炎症和ROS升高严重阻碍了新生血管形成。Yuan等人开发了一种M2巨噬细胞极化抗炎水凝胶，主要通过增强血管生成和调节巨噬细胞表型来促进糖尿病伤口愈合。负载去铁胺(DFO)的介孔聚多巴胺纳米粒子整合到水凝胶中，赋予其光热特性，以促进促血管生成功效。天然活性化合物表没食子儿茶素没食子酸酯和高分子量透明质酸的使用赋予水凝胶良好的抗炎和抗菌功效，以促进糖尿病伤口愈合。因此，开发多功能水凝胶对于糖尿病伤口至关重要，它可以通过多维协同作用促进糖尿病伤口愈合，包括抗氧化和抗菌作用、调节炎症反应和促进血管生成。

CPO/D@P/IGF-1C水凝胶的合成图及其联合温和热刺激促进糖尿病伤口愈合的机制（图源自Advanced Science ）

在本研究中，作者提出设计一种多功能水凝胶，它可以调节糖尿病患者的血糖水平，防止细菌入侵，调节糖尿病伤口的炎症反应以促进伤口进展，增强血管生成以在伤口中提供营养和氧气，从而协同促进糖尿病伤口的修复。因此，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的聚多巴胺纳米颗粒掺入水凝胶中。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。研究表明IGF-1C能够调节糖代谢、抑制氧化应激，与促进伤口愈合有关。DFO是FDA批准用于临床的铁螯合剂，通过阻止HIF-1α的降解和上调VEGF的表达，被证明能够促进血管化。DFO还可以减少伤口中过量的自由基，从而防止伤口组织损伤并控制炎症反应。聚多巴胺纳米粒子（PDANP）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PDANP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PDANP中。此外，PDANP是一种具有显著光热容量的优良光热材料，可以有效地将近红外激光转化为热量。最近的研究证实，温和的热处理（40和41°C）可以促进M1巨噬细胞向M2巨噬细胞的转化并增强新生血管形成。此外，CMCS本身的抗菌活性可进一步增强水凝胶的抗菌能力，通过水凝胶与光热效应的结合，使这种多功能水凝胶通过多维度的协同作用，如清除ROS降低氧化应激、阻止细菌入侵抑制感染、促进M2巨噬细胞极化调节炎症因子表达水平等，打破“感染-炎症-破坏”的恶性循环，从而调控糖尿病创面慢性炎症微环境。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）。

参考消息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202408783