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IF=10.2 一區(qū):破局糖尿病難愈傷口:新型“雙胞”水凝膠重塑愈合微環(huán)境

更新時(shí)間:2025-11-20點(diǎn)擊次數(shù):46
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糖尿病傷口難愈是糖尿病最嚴(yán)重且常見的并發(fā)癥之一,其復(fù)雜的病理微環(huán)境是導(dǎo)致愈合進(jìn)程受阻的關(guān)鍵因素。然而,對(duì)糖尿病傷口中細(xì)胞行為與免疫微環(huán)境的動(dòng)態(tài)交互作用仍有待全面闡明。本研究基于負(fù)載間充質(zhì)干細(xì)胞與苦瓜源外泌體的多功能水凝膠(MEMC-Gel),通過(guò)體內(nèi)外整合分析,系統(tǒng)探討了糖尿病傷口中巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞及成纖維細(xì)胞的功能狀態(tài),揭示了該水凝膠通過(guò)協(xié)同抗氧化、抗炎及促血管生成以重編程傷口微環(huán)境的核心機(jī)制。相關(guān)研究成果在Materials Today BioIF=10.2,一區(qū))上以題名為“A novel hydrogel loaded with plant exosomes and stem cell exosomes as a new strategy for treating diabetic wounds"發(fā)表。





1.研究背景:


糖尿病傷口,是糖尿病的一種嚴(yán)重并發(fā)癥,常常導(dǎo)致感染、截肢甚至死亡等嚴(yán)重后果。糖尿病傷口的特征是多因素的,包括高血糖、神經(jīng)方面的病變、過(guò)度氧化應(yīng)激、血液循環(huán)不良和慢性炎癥,所有這些共同阻礙了愈合過(guò)程。

高血糖對(duì)傷口愈合有多種不利影響。它促進(jìn)晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)的形成,從而加劇氧化應(yīng)激和炎癥,進(jìn)一步損害愈合過(guò)程。氧化應(yīng)激會(huì)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)和DNA,導(dǎo)致愈合過(guò)程中出現(xiàn)進(jìn)一步的并發(fā)癥;血液循環(huán)不良,通常是糖尿病相關(guān)血管并發(fā)癥的結(jié)果,限制了向傷口部位輸送必需的營(yíng)養(yǎng)和氧氣,增加感染風(fēng)險(xiǎn);慢性炎癥也是糖尿病傷口愈合的關(guān)鍵障礙,持續(xù)釋放的促炎細(xì)胞因子會(huì)進(jìn)一步損害組織并延遲愈合過(guò)程。目前,糖尿病傷口的治療面臨許多限制。傳統(tǒng)的敷料、傳統(tǒng)草藥應(yīng)用、外科清創(chuàng)和抗生素療法往往無(wú)法有效解決這些問(wèn)題,導(dǎo)致感染和愈合延遲。

2.研究思路:


外泌體:是直徑通常在30至150納米之間的小的細(xì)胞外囊泡,在傷口愈合方面,外泌體因其加速急性和慢性傷口修復(fù)的潛力而受到關(guān)注。

間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)外泌體:由于其調(diào)節(jié)炎癥、刺激血管生成和促進(jìn)組織再生的能力,在促進(jìn)傷口愈合方面顯示出巨大潛力。這些囊泡攜帶生物活性分子,影響傷口愈合的各個(gè)階段,包括對(duì)組織修復(fù)至關(guān)重要的成纖維細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞的增殖和遷移。

苦瓜(MC)外泌體:因其抗炎、抗氧化和降血糖特性而受到關(guān)注??梢愿纳企w重、血糖水平和胰島素敏感性。MC中的生物活性化合物有助于減少氧化應(yīng)激。

甲基丙烯?;髂z(Gel MA)水凝膠:具備優(yōu)異的生物相容性和機(jī)械性能,將多巴胺(DA)引入水凝膠可以增強(qiáng)其粘附性能,作為外泌體的載體,在調(diào)節(jié)傷口微環(huán)境以促進(jìn)組織再生和修復(fù)的同時(shí),可持續(xù)釋放生物活性分子。

終材料:使用Gel MADA作為材料,將MSC-exoMC-exo嵌入水凝膠中,開發(fā)一種新型的外泌體增強(qiáng)型水凝膠敷料,負(fù)載干細(xì)胞和植物來(lái)源的外泌體(MEMC-Gel),以增強(qiáng)糖尿病傷口愈合和修復(fù)。




1.MEMC-Gel的合成與治療機(jī)制示意圖:


本研究設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種由甲基丙烯?;髂z(Gel MA)和多巴胺(DA)通過(guò)光交聯(lián)形成的新型水凝膠(MEMC-Gel),該體系可同時(shí)封裝間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體(MSC-exo)與苦瓜源外泌體(MC-exo)。其治療機(jī)制并非單一通路,而是通過(guò)多種功能協(xié)同作用:MC-exo主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)局部血糖并降低晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)積累,而MSC-exo在促進(jìn)血管生成方面扮演主導(dǎo)角色;兩者與凝膠基質(zhì)協(xié)同,共同對(duì)抗氧化應(yīng)激、抑制慢性炎癥,并通過(guò)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞從促炎M1型向修復(fù)M2型極化,綜合優(yōu)化糖尿病傷口的微環(huán)境,從而加速愈合進(jìn)程。

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2.外泌體的提取與表征


作者采用超速離心法分別從MSC和苦瓜(Monorotica charantia)汁液中提取外泌體。透射電鏡(TEM)與粒徑分析證實(shí),MSC-exo與MC-exo均呈現(xiàn)典型的納米級(jí)囊泡形態(tài)與尺寸分布,但MC-exo的平均直徑(~147.20 nm)顯著大于MSC-exo(~92.89 nm)。Western blot分析明確檢測(cè)到MSC-exo高表達(dá)CD9、CD81和CD63等跨膜蛋白,符合動(dòng)物源外泌體的經(jīng)典分子特征。對(duì)于目前缺乏統(tǒng)一標(biāo)志物的植物源MC-exo,研究通過(guò)SDS-PAGE揭示了其廣泛的蛋白組成(10-140 kD),并通過(guò)Triton X-100破膜實(shí)驗(yàn)證實(shí)其富含RNA,從多個(gè)維度驗(yàn)證了所提取囊泡的身份與完整性。

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3.MEMC-Gel的制備與理化性質(zhì)表征


掃描電鏡(SEM)顯示,空白凝膠(B-Gel)與負(fù)載外泌體的MEMC-Gel均具有規(guī)整的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),且外泌體在MEMC-Gel中分散均勻。傅里葉變換紅外光譜(FTIR)表明,外泌體的引入未改變凝膠的主要化學(xué)結(jié)構(gòu)與晶體形態(tài),說(shuō)明其與凝膠基質(zhì)間主要為物理封裝。流變學(xué)測(cè)試揭示MEMC-Gel具有典型的凝膠特性(儲(chǔ)能模量G'> 損耗模量G'')和剪切稀化行為,利于敷用。關(guān)鍵的是,多巴胺的引入顯著增強(qiáng)了水凝膠的粘附強(qiáng)度與親水性,而MEMC-Gel在降解實(shí)驗(yàn)中顯示出一周內(nèi)基本降解完畢的速率,并能以相近的速率同步、持續(xù)地釋放兩種外泌體,滿足傷口敷料對(duì)機(jī)械性能、貼合性與藥物控釋的核心要求。

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4.MEMC-Gel的體外生物功能驗(yàn)證


細(xì)胞功能實(shí)驗(yàn)表明,MEMC-Gel不僅具有良好的生物相容性,更能顯著促進(jìn)成纖維細(xì)胞遷移與內(nèi)皮細(xì)胞成管,其中MSC-exo在促成管方面作用更為突出,而MC-exo也展現(xiàn)出明確的促進(jìn)遷移能力,兩者聯(lián)用體現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)。在抗氧化方面,MEMC-Gel能有效降低由Rosup誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)水平,并提升超氧化物歧化酶(SOD)活性、降低脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量。在抗炎與免疫調(diào)節(jié)方面,MEMC-Gel顯著抑制了由LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞釋放TNF-α、IL-1β等關(guān)鍵促炎因子,并通過(guò)免疫熒光證實(shí)其能下調(diào)M1型標(biāo)志物iNOS的表達(dá),同時(shí)上調(diào)M2型標(biāo)志物CD206的表達(dá),證明其具有直接調(diào)控巨噬細(xì)胞極化為修復(fù)表型的能力。

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5.MEMC-Gel在體內(nèi)的降解與外泌體釋放動(dòng)力學(xué)


通過(guò)活體成像技術(shù)追蹤C(jī)y5標(biāo)記的水凝膠,發(fā)現(xiàn)MEMC-Gel在糖尿病小鼠傷口部位的熒光信號(hào)在7天內(nèi)持續(xù)減弱,顯示其在此時(shí)間內(nèi)逐步降解。與此同時(shí),利用不同熒光染料(PKH67和PKH26)分別標(biāo)記的MSC-exo與MC-exo,其從凝膠中的釋放曲線高度重合,均在3天內(nèi)釋放超過(guò)50%,并在7天內(nèi)持續(xù)釋放。該結(jié)果表明MEMC-Gel作為一種遞送系統(tǒng),能確保兩種來(lái)源不同的外泌體在復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境中以協(xié)同的方式被同步遞送至傷口部位。

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6.MEMC-Gel促進(jìn)糖尿病傷口愈合與組織重塑


動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示,MEMC-Gel治療組的傷口閉合速率顯著快于對(duì)照組及單一外泌體治療組(ME-Gel,MC-Gel),在第14天基本實(shí)現(xiàn)愈合。組織學(xué)分析進(jìn)一步揭示了其較高的修復(fù)質(zhì)量:H&E染色顯示MEMC-Gel組炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)最少,表皮再生與肉芽組織形成最為顯著;Masson染色則證實(shí)該組的膠原纖維沉積最致密、排列更有序。相比之下,ME-Gel在促進(jìn)膠原沉積方面優(yōu)于MC-Gel,但均不及MEMC-Gel的綜合效果,凸顯了兩種外泌體在促進(jìn)組織結(jié)構(gòu)性再生方面的互補(bǔ)與協(xié)同作用。

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7.MEMC-Gel在傷口組織中系統(tǒng)性地調(diào)控炎癥反應(yīng)


通過(guò)免疫組化(IHC)對(duì)髓過(guò)氧化物酶(MPO)的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)MEMC-Gel治療組傷口中的中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)在愈合早期(第7天)即被顯著抑制。對(duì)傷口組織勻漿的 ELISA分析進(jìn)一步表明,MEMC-Gel不僅能持續(xù)性地降低促炎因子(INE-.IL-1P.IL-6)的度,還能顯著提升抗炎因子 IL-10 的水平。這種對(duì)炎癥平衡的雙向調(diào)節(jié)--即同時(shí)抑制促炎信號(hào)與增強(qiáng)抗炎信號(hào)--是 MEMC-Gel有效扭轉(zhuǎn)糖尿病傷口慢性炎癥微環(huán)境的關(guān)鍵機(jī)制。

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8.MEMC-Gel在傷口組織中構(gòu)建強(qiáng)大的抗氧化防御


二氫乙啶(DHE)熒光染色直接顯示,MEMC-Gel治療組傷口組織中的超氧陰離子水平顯著低于其他各組。對(duì)組織勻漿的生化分析提供了更深入的機(jī)制證據(jù):MEMC-Gel治療顯著提升了內(nèi)源性抗氧化酶(如SOD)的活力和小分子抗氧化劑(谷胱甘肽,GSH)的水平,同時(shí)有效抑制了羥基自由基(·OH)的生成,并降低了脂質(zhì)過(guò)氧化終產(chǎn)物MDA的含量。這表明MEMC-Gel并非簡(jiǎn)單地清除已產(chǎn)生的ROS,而是通過(guò)增強(qiáng)組織自身的抗氧化防御能力,從根源上緩解氧化應(yīng)激。

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9.MEMC-Gel綜合調(diào)控愈傷微環(huán)境:從免疫調(diào)節(jié)到血管生成


免疫組化分析揭示,MEMC-Gel對(duì)傷口巨噬細(xì)胞極化表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)且有效的調(diào)控:在愈合早期即可抑制M1型標(biāo)志物iNOS的表達(dá),并在整個(gè)觀察期內(nèi)持續(xù)促進(jìn)M2型標(biāo)志物CD206的表達(dá)。同時(shí),得益于MC-exo的降血糖特性,MEMC-Gel治療組傷口組織中的晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)積累顯著減少,從源頭上改善了不利于愈合的代謝微環(huán)境。在功能輸出上,這種優(yōu)化的微環(huán)境極大地促進(jìn)了血管生成,表現(xiàn)為CD31陽(yáng)性血管密度以及關(guān)鍵生長(zhǎng)因子VEGFTGF-β1的表達(dá)在MEMC-Gel組中均達(dá)到峰值,其中MSC-exo被認(rèn)為是促成血管作用的主要貢獻(xiàn)者。這些結(jié)果共同表明,MEMC-Gel通過(guò)整合免疫調(diào)節(jié)-代謝調(diào)控-血管再生"等多重機(jī)制,創(chuàng)造了較佳的愈傷微環(huán)境。

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總結(jié)

本文開發(fā)并評(píng)估了一種負(fù)載間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體與苦瓜源外泌體的新型光交聯(lián)水凝膠(MEMC-Gel),用于治療糖尿病創(chuàng)面。

本文創(chuàng)新點(diǎn)在于,通過(guò)將植物源與動(dòng)物源外泌體共裝載于同一水凝膠體系,研究者能夠觀察到兩種外泌體在抗氧化、抗炎與促進(jìn)血管生成等方面的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng),以及該復(fù)合系統(tǒng)對(duì)糖尿病傷口復(fù)雜微環(huán)境的系統(tǒng)性調(diào)控。MEMC-Gel所采用的基于GelMA-多巴胺的光交聯(lián)載藥凝膠構(gòu)建策略,也為其他研究者提供了一個(gè)開發(fā)多功能、可局部給藥的組織工程敷料的材料學(xué)參考。




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