中科院昆明植物所吴明一团队Biomaterials：新型多糖基水凝胶修复糖尿病难愈合伤口创面

2023-05-12 来源：高分子科技

糖尿病足溃疡（Diabetic foot ulcers, DFUs）因其高发病率、频繁复发和高死亡率影响数以亿计的糖尿病患者的生活质量，严重时威胁患者生命，增加了医疗保健支出，加重了社会负担。由于糖尿病足溃疡复杂的发病机制，临床治疗仍然是一个巨大的挑战。随着全球糖尿病患者数量不断增加，临床上亟需安全有效、使用便捷的治疗药物。

近期，中国科学院昆明植物研究所植物化学与西部植物资源持续利用国家重点实验室吴明一团队从白玉蜗牛粘液中发现一种天然多糖基粘合剂（dried Snail Mucus Gel, d-SMG），其具有组织粘附力强、生物相容性好、可生物降解等优良性能，能够显著愈合正常大鼠和糖尿病鼠的皮肤创面伤口，为一种新型的医用组织粘合剂（Deng et al., Nature Communications, 2023, 14: 396）。进一步的物质基础研究发现，该天然粘合剂所含的新型糖胺聚糖类多糖物质AFG（Achatina fulica glycosaminoglycan, AFG）是其有效活性成分（Deng et al., Nature Communications, 2023, 14: 396），而该类糖胺聚糖因无抗凝活性在外用时不会给伤口创面带来出血风险（Wu et al., Carbohydrate Polymers, 2020, 247:116682）。

近日，该团队受蜗牛粘液启发，设计合成一种共价交联与光触发相结合的由蜗牛糖胺聚糖（AFG）与甲基丙烯酰化明胶（GelMA）组成的双网络水凝胶体系。该水凝胶可以降低慢性伤口中炎症因子水平，促进巨噬细胞向M2抗炎表型极化，从而加速糖尿病慢性伤口由炎症期向增殖期过渡，最终加速伤口愈合。AFG/GelMA水凝胶具有良好的生物相容性以及生物可降解性，其制备方法简易、质量稳定、给药方便、疗效显著。为临床上难治愈的糖尿病足溃疡提供了一种潜在的解决方案。

图1. AFG/GelMA水凝胶设计、合成及其愈合慢性伤口的机制示意图。

水凝胶的制备与表征

首先经过碳二亚胺化学将蜗牛糖胺聚糖（AFG）与甲基丙烯酰化明胶（GelMA）进行共价交联，随后在光引发剂苯基（2,4,6-三甲基苯甲酰基）磷酸锂的存在下，用405 nm波长的蓝光灯下照射，15 s左右即可形成水凝胶。流变学测试表明，4%以及8%固含量的AFG/GelMA水凝胶的储能模量在500~2000 Pa，接近于人体皮肤的弹性模量范围。扫描电镜结果显示，随着固含量的变化，水凝胶的孔径在4~20 μm。该水凝胶的红外光谱中酰胺II/酰胺I键的比率增加，表明形成了更多的酰胺键。固体核磁分析显示，相比游离的AFG，水凝胶的羰基碳的化学位移向高场移动也表明了酰胺键的形成。此外，在水凝胶渗出液中并未检测到游离的AFG。上述结果表明AFG/GelMA水凝胶中的两个组分形成了稳定的共价键，水凝胶具有较好的稳定性。

图2. AFG/GelMA水凝胶水凝胶的制备与表征

水凝胶的粘附性能与生物安全性评价

搭接剪切测试结果表明，水凝胶的粘附强度可高达70 kPa，提示水凝胶在使用过程中不易脱落。细胞活力测试显示，各个水凝胶组分或水凝胶本身在人源细胞和干细胞中未见明显的细胞毒活性，并且水凝胶封装的成纤维细胞也表现出较好的细胞活力。体内皮下包埋实验结果显示，AFG/GelMA水凝胶可在2-3周降解，与伤口愈合时间基本一致，有效避免使用过程中水凝胶的清除等操作而不会引起伤口的二次损伤。免疫原性测试表明，该水凝胶及其组分没有表现出免疫应激的情况。上述结果表明，该水凝胶具有较好的生物相容性和安全性。

图3. AFG/GelMA水凝胶的生物安全性评价

慢性伤口愈合活性评价

分别采用健康大鼠、STZ诱导的I型糖尿病大鼠以及db/db小鼠三种动物皮肤伤口模型，评估AFG/GelMA水凝胶的愈合慢性伤口创面的药效。结果显示，该水凝胶在均显著促进老鼠皮肤的伤口愈合，效果优于GelMA组和HA/GelMA组。病理切片组织染色结果显示，该水凝胶显著促进大鼠和小鼠的肉芽组织新生、血管新生和胶原沉积。

图4. 多糖水凝胶AFG/GelMA能显著促进db/db糖尿病小鼠皮肤创面的愈合

水凝胶愈合慢性伤口机制分析

为了进一步阐明其愈合慢性伤口的药理机制，对不同时期的伤口组织进行转录组测序分析发现，AFG/GelMA水凝胶下调了炎症以及趋化因子介导的NF-κB信号通路的相关基因表达；该水凝胶显著减少p-IKKβ/α、p-IκB以及p-p65等相关的蛋白磷酸化水平，降低炎症细胞因子IL-6、TNF-α和IL-1β等的表达水平。此外，表面等离子体共振SPR试验表明，该水凝胶的有效成分蜗牛糖胺聚糖（AFG）与IL8、IL6、IL1-β、PF4和IP10等趋化因子均具有较强的亲和力。体内外的免疫荧光染色分析表明，该水凝胶促巨噬细胞向M2抗炎表型极化。上述结果表明，该水凝胶可能是通过下调NF-κB信号通路与调节炎症环境，缓解伤口局部炎症反应，促进伤口由炎症期加速向增殖期过渡，从而修复糖尿病难愈合伤口创面。

图5. 多糖水凝胶AFG/GelMA促皮肤创面愈合的可能机制研究

综上，受蜗牛粘液启发，该研究首次设计并合成了一种仿生的AFG/GelMA水凝胶。该凝胶通过下调伤口局部炎症反应，促进伤口从炎症期向增殖期过渡，从而加速糖尿病慢性伤口愈合。该研究为新型多糖AFG水凝胶促进伤口愈合的进一步开发应用奠定了理论基础，亦为临床难治愈的糖尿病足溃疡等皮肤疾病的治疗提供了新思路。该成果于2023年5月9日以“Snail-inspired AFG/GelMA hydrogel accelerates diabetic wound healing via inflammatory cytokines suppression and macrophage polarization”为题，发表在国际期刊Biomaterials上（Biomaterials, 2023, 299: 122141）。周志鹏博士与邓拓博士研究生为该论文的第一作者，吴明一研究员为通讯作者。该研究工作得到了国家高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才、国家自然科学基金、云南省科技厅与中国科学院等项目的资助，还得到了上海臻臣化妆品有限公司的大力支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2023.122141

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（责任编辑：xu）

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