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Nano Res.│中山大学吴钧课题组:一种具有葡萄糖响应性降低高血糖和抗氧化活性的新型杂化水凝胶平台用于改善糖尿病伤口修复

本篇文章版权为吴钧课题组所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


糖尿病伤口是糖尿病患者最严重的并发症之一,其截肢/趾率是非糖尿病的数十倍以上,是非创伤截肢/趾的首要原因。目前,糖尿病慢性伤口缺乏有效治疗手段已成为一个棘手而又亟待解决的临床和科学问题。通常,伤口愈合是一个动态而有序的生理过程,主要包括三个连续而重叠的阶段:止血和炎症期、增殖期和组织重塑期,并且其中任何一个过程的受损都可能引发慢性伤口。然而,糖尿病伤口由于持续性高血糖水平诱导晚期糖化终末产物(AGEs)产生,直接释放出大量活性氧自由基(ROS),严重破坏了伤口的氧化/还原微环境。研究表明,这些过量产生的ROS是起伤口氧化应激损伤、造成新生血管生成不良、生长因子降解、引发炎症反应,以及延缓伤口愈合的主要原因之一。水凝胶以其优异的生物相容性和丰富的生物活性在组织工程和创伤修复领域备受关注。近年来,各种具有抗氧化活性的杂化水凝胶被相继证实可有效改善糖尿病伤口氧化应激损伤,在加速糖尿病伤口修复方面展现出巨大的前景。然而,目前的抗氧化活性水凝胶大多聚焦于伤口外部ROS的快速清除,而缺乏对高血糖诱导ROS过量产生的内在病因的综合考量。由此可知,开发具有智能响应性降低高血糖和抗氧化活性的新型杂化水凝胶平台是改善糖尿病伤口修复的有效策略。


研究方法


在本研究中,我们通过一步合成法将具有强抗氧化活性的没食子酸(GA)接枝于壳聚糖(CS)分子链上,然后将其与聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG−DA)杂化,获得一种兼具有紫外光引发原位成胶特性和抗氧化活性的新型杂化水凝胶(PEG−DA/CS−GA)。同时,我们还将苯硼酸基团(PBA)修饰到荷正点的聚乙烯亚胺(PEI)分子并负载胰岛素,获得一种新型纳米粒(PEI−PBA/Insulin NPs)。然后,该NPs通过其苯硼酸基团与水凝胶的多酚基团形成葡萄糖响应性动态硼酸酯键被有效负载于该杂化水凝胶中,获得了一种具有葡萄糖响应性降低高血糖和抗氧化活性的新型杂化水凝胶平台(PEG−DA/PEI−PBA/Insulin/CS−GA,PPIC)。本研究系统评价了PPIC水凝胶的理化性质和生物相容性,并重点考察了其响应性降血糖和抗氧化活性。此外,本研究还通过一系列体内外表征,系统的评价了PPIC水凝胶加速糖尿病伤口修复的潜力。


成果简介


在本研究中,我们的PPIC水凝胶平台不仅具有优异的生物相容性,还展现出高效的抗氧化活性(DPPH清除率>95.0%),有效保护了细胞免受氧化损伤(降低MDA水平、提高SOD水平和GSH/GSSG水平)。同时,该PPIC水凝胶还表现出独特的葡萄糖响应性胰岛素释放特性,有效调控了高血糖水平。体内外研究结果进一步表明,该PPIC水凝胶可有效改善血管生成(上调VEGF和CD31的表达),以及伤口炎症微环境重塑(下调IL-6和上调IL-10的表达),可在20天内实现糖尿病伤口的快速愈合。综上可知,本研究开发的PPIC水凝胶为改善糖尿病伤口治疗提供了新思路、新平台。


图文导读


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Scheme 1 PPIC水凝胶平台用于糖尿病伤口治疗的示意图


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图1 NPs和PPIC水凝胶平台的理化性质表征。(a-c) PEI-PBA、CS-GA和PEG-DA的1H NMR;(d) PEI-PBA/insulin NPs的粒径图;(e) PPIC水凝胶的微观形貌;(f) PPIC水凝胶的水蒸气透过率;(g) PPIC水凝胶的杨氏模量;(h) PPIC水凝胶的溶胀性能;(i) PPIC水凝胶的体外降解性能。


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图2 PPIC水凝胶平台的生物相容性表征。(a-b) 24 h和48 h的MTT结果;(c) 细胞活/死染色图像;(d) 细胞在PPIC水凝胶表面的骨架染色图像;(e) 溶血实验结果;(f) 溶血实验代表性图像。


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图3 PPIC水凝胶平台的抗氧化活性表征。(a) DPPH自由基清除率代表性图像;(b) DPPH自由基清除率结果统计;(c) DCFH-DA染色的流式结果;(d) DCFH-DA染色的荧光图像;(e) AO/EB染色荧光图像;(f) SOD水平统计结果;(g) GSH/GSSG水平统计结果;(h) MDA水平统计结果。


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图4 PPIC水凝胶平台药物递送行为表征。(a-b) 体外胰岛素释放行为;(c) 圆二色谱实验结果;(d-e) 胰岛素摄取实验的流式结果和荧光图像。


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图5 PPIC水凝胶平台的体外划痕和成血管表征。(a) 体外划痕实验代表性图像;(b-c) 24 h和48 h的细胞迁移率;(d) 体外成血管实验的代表性图像;(e-f) 体外成血管的统计结果。


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图6 PPIC水凝胶平台的动物实验和组织切片实验。(a) PPIC水凝胶的体内降糖效果;(b) 糖尿病伤口愈合的代表性图像;(c) 伤口愈合统计结果;(d) 伤口部位组织的H&E染色结果;(e) 伤口组织的再上皮化统计;(f) 伤口部位组织的Masson染色结果;(g) 伤口组织的胶原沉积统计。


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图7 PPIC水凝胶平台治疗伤口的免疫组化实验。(a) 伤口部位组织的VEGF, CD 31, IL-6, IL-10染色代表性图像;(b-c) VEGF和CD 31含量的统计。


作者简介


本论文通讯作者为中山大学生物医学工程学院吴钧教授,第一作者为中山大学生物医学工程学院徐泽军博士,本研究获得了国家自然科学基金等的大力支持。


吴钧,中山大学生物医学工程学院教授,博士生导师,国家高层次海外青年人才。主要研究涉及生物材料、药物控释、组织工程及纳米医学等前沿尖端领域。吴钧教授近5年发表SCI论文100余篇,其中包括Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、Nano Today、PNAS、Adv. Sci、ACS Nano、Small、Bioactive Materials、Nano research等国际高水平杂志,全部论文总引用超12000次,申请国际国内专利30余项。先后获得国家青年千人人才项目、国家自然科学基金、国家卫计委科技重大专项、广东省省级科技计划项目、广州市科技计划项目、深圳市科技计划项目、广东省“珠江人才计划”第六批引进创新创业团队、国家自然科学基金重点国际(地区)合作研究项目、中山大学青年教师重点培育项目等项目资助。还担任了中国化学快报副主编、Journal of Biomedical Nanotechnology副主编、Engineered Regeneration编委、国家卫生健康委员会中山大学辅助循环重点实验室学术委员会委员、中国医药生物技术协会纳米生物技术分会常务委员等学术任职。

Wu Jun, http://wulab.bme.sysu.edu.cn/ 


文章信息


Zejun Xu§, Guiting Liu§, Qing Li, and Jun Wu*. A novel hydrogel with glucose-responsive hyperglycemia regulation and antioxidant activity for enhanced diabetic wound repair. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-022-4192-y. 

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