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南開大學劉定斌教授團隊 JACS:智能水凝膠精準遞送外泌體 - 攻克糖尿病耐藥菌感染創面愈合難題
2025-05-06  來源:高分子科技

  慢性糖尿病傷口極易出現嚴重的皮膚壞死與細菌感染,活性氧(ROS)水平的升高以及持續的炎癥反應會延長創面的愈合周期,長期的高血糖和缺氧環境使傷口極易受到細菌感染,形成生物膜進一步阻礙愈合。針對糖尿病耐藥菌感染創面的愈合難題,研發具備多種治療功能的智能敷料,使其能夠同時對抗感染、減輕氧化應激、緩解炎癥并促進組織再生,至今仍是一項極具挑戰性的任務


  為此南開大學劉定斌教授、董建桐研究員與空軍特色醫學中心蔡宏主任合作設計了一種智能響應的多功能水凝膠(Exo-Gel),自適應精準釋放干細胞源性外泌體,結合自身抗菌和ROS清除的協同效應,加速耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)感染的糖尿病傷口愈合。



1. 多功能水凝膠(Exo-Gel通過局部精準遞送干細胞外泌體、抑制細菌生長、調節免疫炎癥反應及促進組織再生,加速糖尿病耐藥菌感染創面的愈合機制示意圖。


  如圖1所示,研究人員通過雙腔注射器,將干細胞來源的外泌體(UC-MSC Exo包裹在動態席夫堿水凝膠網絡中,在糖尿病SD大鼠的MRSA感染的全層皮膚缺損傷口上原位形成Exo-GelExo-Gel利用具有兩性離子結構的磷酸膽堿(CP,實現雙重功能:其一,通過與外泌體膜上的磷脂酰膽堿(PC)進行反向靜電相互作用,實現對外泌體的固定;其二,通過正負電荷之間的靜電相互作用,增強對陰離子細菌細胞膜的物理吸附,破壞其結構,從而發揮內在的抗菌作用。另外,創面環境中ROS誘導硫縮酮(TK)連接子發生裂解,觸發UC-MSC外泌體的自適應釋放;同時,高密度的TK基團可高效清除清除炎癥傷口微環境中的ROS。最終GelExo的協同作用顯著消除糖尿病傷口中的細菌感染,減輕氧化應激、調節M2巨噬細胞極化、促進血管生成,并通過膠原沉積、肌成纖維細胞收縮和遷移等過程,加速組織重塑和修復從而促進MRSA感染的糖尿病傷口愈合。



2. Exo-Gel的制備過程及相關表征


  透明質酸HA在細胞外基質中發揮重要作用,其豐富的活性基團便于化學修飾。通過HA進行氨基修飾得到透明質酸-己二酸二酰肼(HA-ADH并對HA進行氧化和酰胺化反應制備硫縮酮和磷酸膽堿共修飾的氧化透明質酸(OHA-TK-CP)。隨后,HA-ADHOHA-TK-CP發生席夫堿反應,形成多孔水凝膠網絡。再利用 CP-PC 相互作用負載臍帶間充質干細胞(UC-MSC)來源的外泌體,最終得到 Exo-Gel研究人員對Exo-Gel水凝膠的基本性質和形貌進行了表征(圖2)。這種水凝膠具有出色的可注射性、自愈性、組織粘附性、止血性能和生物相容性,為傷口修復提供了良好的基礎。



3. Gel自身的抗菌性能


  Exo-Gel 的抗菌性能源于其自身網絡結構中富含的 CP 基團。這些基團具有兩性離子結構,能夠與陰離子細菌細胞膜通過靜電相互作用,破壞細胞膜結構,導致細菌死亡。3結果顯示,Gel MRSA、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率分別高達 95.0%95.6% 96.2%,遠超氨芐青霉素對 MRSA 和金黃色葡萄球菌的抑制效果,Pre-Gel(未修飾TKCPHA水凝膠)PBS對照組的抑菌作用則微乎其微。通過細菌平板培養、DMAO/EthD-III活死細菌染色法和SEM,證實了 Gel 強大的抗菌活性,有效維持傷口的清潔環境。



4. 多功能水凝膠(Exo-Gel)在MRSA感染的糖尿病小鼠模型中顯著促進創面愈合,驗證其在耐藥菌感染創傷修復中的治療潛力


  研究人員借助MRSA感染全層傷口的糖尿病SD大鼠模型評估Exo-Gel的治療效果(圖4Exo-Gel展現出顯著的抑菌活性顯著加速了傷口愈合進程,第21天的傷口閉合率高達 98%,遠超Exo組和Gel組,而PBS組的愈合率僅50%。通過H&E染色和Masson三色染色對傷口組織進行分析,發現Exo-Gel組的真皮厚度近乎正常皮膚,炎癥細胞浸潤明顯減少,傷口間隙變窄,膠原纖維排列有序且緊密,有力地促進了血管生成與組織再生。免疫熒光染色顯示,該組Col-ICol-III表達水平較高,Col- III/Col-I熒光強度比也更高,對減少瘢痕形成大有益處。進一步研究發現,Exo-Gel在體內能夠有效清除ROS,傷口組織的ROS水平在第 21 天接近正常組織;誘導創面處M1巨噬細胞向M2巨噬細胞極化,增強抗炎細胞因子的分泌,促進細胞增殖和血管生成,加速表皮和真皮的重建,實現了高效的傷口愈合與皮膚再生。值得一提的是,對主要器官的組織學染色以及血常規和生化參數檢測均表明,Exo-Gel在傷口愈合過程中不會引發全身毒性,具備良好的生物安全性。


  Exo-Gel多功能水凝膠通過創新的設計,將水凝膠的多種功能與干細胞外泌體的治療作用相結合,在糖尿病傷口愈合的研究中取得了重要突破Exo-Gel在體外和體內實驗中都展現出了強大的抗菌、抗炎、促進細胞功能和傷口愈合的能力,為糖尿病傷口的治療提供了一種簡單、通用且經濟高效的治療新策略,無需外部組件或操作,具有高度的實用性與臨床應用轉化前景


  相關研究成果以Self-Adaptive Release of Stem Cell-Derived Exosomes from a Multifunctional Hydrogel for Accelerating MRSA-Infected Diabetic Wound Repair為題,于2025430發表在化學頂級期刊《Journal of the American Chemical Society上。南開大學化學學院2022級博士生王翔為第一作者,南開大學化學學院劉定斌教授、董建桐研究員和空軍特色醫學中心皮膚科蔡宏主任為共同通訊作者。其他作者還包括南開大學化學學院康晶晶、洪曉琴和陳嘉銘、安徽醫科大學陳許晶、中源協和干細胞基因工程有限公司研發中心杜為主任。此研究工作得到國家自然科學基金杰出青年科學基金和面上項目天津市杰出青年科學基金和軍委后勤開放重點項目的資助。


  論文鏈接:

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c02184

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(責任編輯:xu)
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