温州医科大学沈建良《AM》:光增强甘草酸水凝胶支架在糖尿病伤口修复中的免疫调节

2022-05-18 07:52:34 浙江 高分子科学前沿
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调节巨噬细胞极化是糖尿病伤口愈合的关键策略。M1巨噬细胞积聚和过度炎症是糖尿病伤口常见的问题,会延迟伤口愈合过程甚至愈合失败。因此,具有免疫调节能力的水凝胶敷料在糖尿病伤口愈合的临床实践中具有很大的前景。然而,目前的免疫调节水凝胶总是需要复杂的干预和高成本的治疗手段,如细胞因子和细胞疗法。

甘草酸(GA)是一种从甘草植物中提取的天然化合物,以其抗炎作用而闻名。温州医科大学沈建良教授课题组开发了一种具有内在免疫调节特性的新型GA混合水凝胶敷料,以促进糖尿病伤口的快速愈合。这种复合水凝胶由无机Zn2+诱导的自组装GA和光交联甲基丙烯酰化丝素蛋白(SF)组成的互穿聚合物网络组成,具有优异的可注射性和机械强度。值得注意的是,在不使用任何添加剂的条件下,SF/GA/Zn混合水凝胶能调节炎症微环境中的巨噬细胞反应,可作为治疗糖尿病伤口的一种有前途的敷料,用于安全有效的治疗,加速伤口修复。该研究以题为“Immunoregulation in Diabetic Wound Repair with a Photo-Enhanced Glycyrrhizic Acid Hydrogel Scaffold”发表在《Advanced Materials》上。

【水凝胶的制备与表征】

三种主要成分甲基丙烯酰化丝素蛋白单体(SFMA)、GA和Zn2+,通过Zn2+诱导的GA自组装快速混合形成第一个网络,显示出良好的可注射性。在可见蓝光照射和光引发剂(LAP)存在下,第二个SF网络形成,自组装SF/GA/Zn水凝胶的弹性模量急剧增加了20倍以上(从0.3 kPa到~7 kPa)。Zn2+诱导的GA自组装第一网络(GA/Zn)和化学交联的第二网络(SF)均表现出稳定的弹性模量(G'分别为~316 Pa和2290 Pa)。所有水凝胶均具有均匀且相互连接的多孔微结构。GA的加入增强了水凝胶之间的疏水相互作用,导致较低的溶胀率和较高的失水率。SF、SF/GA和SF/GA/Zn水凝胶都具有相似的热性能,在250-350℃分解。

图1:水凝胶作为糖尿病伤口修复的免疫调节支架示意图

图2:水凝胶基本性质的表征

【水凝胶的体外效应】

对于临床伤口敷料应用,良好的生物相容性是水凝胶的基本要求。通过活/死染色、细胞计数试剂盒(CCK-8)和溶血试验的结果表明SF/GA/Zn杂化水凝胶具有生物相容性、非溶血性,并支持细胞粘附、生长和增殖。然后,进行细胞内超氧化物歧化酶(SOD)活性测定,以确定水凝胶的细胞内抗氧化特性。结果表明,巨噬细胞M1组的SOD活性低于M2组,说明水凝胶能够减少活性氧的积累并保持SOD活性。预测GA的抗炎作用与巨噬细胞表型调节和伤口微环境调节有关。与对照组相比,在SF/GA和SF/GA/Zn水凝胶中的巨噬细胞呈现类似M2表型的小圆状形态,且观察到更多的CD206和更少的CD86染色,表明巨噬细胞M2激活增强。

图3:水凝胶的体外表征

【水凝胶对体内糖尿病创面的影响】

向大鼠注射链脲佐菌素以提高血糖水平,并创建一个直径8 mm的伤口。随后的治疗包括生理盐水对照组、SF、SF/GA和SF/GA/Zn水凝胶,在第0、3、7、14和21天通过观察和组织收集进行评估。与对照组相比,水凝胶组伤口愈合更快。SF/GA/Zn水凝胶治疗组在第7天和第14天的愈合率最高,分别为73%和91%,而对照组在第7天的愈合率仅为约30%。GA具有浓度依赖性细胞毒性,2% GA单组分水凝胶的效果比对照组差,说明Zn2+诱导的低浓度GA自组装对于实现生物医学应用至关重要。

图4:水凝胶促进大鼠糖尿病伤口愈合

【水凝胶对体内免疫调节的影响】

进一步研究了炎症减轻和愈合改善是否与糖尿病伤口中巨噬细胞的极化状态有关。在伤后第3天收集不同处理的伤口。结果显示,水凝胶治疗组中M1样巨噬细胞的比例显著低于未治疗组。SF/GA/Zn水凝胶组的M2/M1巨噬细胞比率在所有组中最高。第7天,水凝胶治疗组的巨噬细胞密度较低,表明伤口愈合已进入增殖期。然而,在对照组仍能观察到一些M1巨噬细胞,表明对照组的炎症持续时间延长。

图5:水凝胶对体内巨噬细胞极化的影响

【小结】

综上所述,在本研究中,作者开发了一种具有内在免疫调节特性的基于GA的混合水凝胶,作为促进糖尿病伤口快速愈合的新型敷料。水凝胶敷料由天然GA、光交联SFMA和Zn2+(SF/GA/Zn)组成。首次通过添加无机Zn2+简单混合诱导GA在极低浓度下自组装成水凝胶,使水凝胶表现出良好的可注射性、可修复性和理想的力学性能。值得注意的是,SF/GA/Zn水凝胶可以调节氧化应激微环境,刺激巨噬细胞向M2表型分化,而无需外源性添加昂贵的生物因子,加速了糖尿病伤口修复。这种混合水凝胶有望应用于临床成为治疗糖尿病伤口的新型敷料。

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来源:高分子科学前沿

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