BioMed科技 BioMed科技 2024-03-17 19:56 浙江
皮肤是人体最大的外部器官，负责保护内部器官免受外界病菌侵袭和机械损伤。在正常情况下，皮肤缺损可通过止血、炎症、增生和重塑等过程自我修复。炎症因子在炎症与增殖阶段过渡中起着重要的调节作用，过度炎症会延缓伤口愈合。同时，皮肤损伤部位极易受细菌侵袭，从而中断伤口愈合级联。此外，损伤部位的血管生成在伤口愈合中具有重要作用，这介导了伤口部位营养和氧气的输送。因此，炎症调控、活性氧自由基的清除、促血管生成和抑制细菌生长对于伤口护理至关重要。
胶原蛋白是细胞外基质的主要成分,对细胞的粘附、分化和迁移起着重要的作用。胶原蛋白具有良好的生物相容性、生物降解性和低免疫原性，因而在生物医学领域得到了广泛的应用。四川大学生物医学工程学院李旭东教授课题组前期研究了多种天然产物对胶原蛋白仿生支架的结构特性和微/纳力学的影响机制，以及材料的生物学效应。例如，海藻酸盐辅助的胶原蛋白的矿化机理（ACS Biomater. Sci. Eng. 2020, 6, 6, 3275–3286）、海藻酸钠/胶原仿生基质的纤维聚集排列与微/纳力学的关系及其对细胞行为的影响（Biomacromolecules. 2020, 21, 9, 3547–3560）、磺化壳聚糖对胶原蛋白结构、流变学和原纤维生成的影响（Int J Biol Macromol. 2021, 166, 1, 1480-1490）、角蛋白纳米粒/胶原纤维组装体（Int J Biol Macromol. 2021. 189, 31, 380-390）、透明质酸/羟基磷灰石粒子介导胶原纤维的自组装及其应力松弛行为与细胞命运的关系（Biomacromolecules 2023, 24, 11, 5162–5174）。
单独的胶原的功能性不足以支持加速创伤愈合能力，因而适当的功能化可以进一步拓展胶原蛋白的应用。EGCG是茶多酚的主要活性成分，具有抗肿瘤、抗菌、抗氧化和抗炎作用。Cu2+能刺激血管生成和胶原沉积，但细胞毒性限制了应用，持续释放低剂量Cu2+可降低毒性。在李旭东教授前期开发的可注射水凝胶敷料（Carbohyd Polym. 2022, 293, 1, 119733）、白藜芦醇纳米粒功能化伤口敷料（J. Mater. Chem. B, 2022,10, 9280-9294）的工作基础上，报道了一种具有清除自由基、缓解炎症，杀伤细菌和促进血管生成能力的胶原蛋白敷料，该敷料是由铜离子螯合的EGCG纳米粒与胶原蛋白构成（图1）。EGCG和Cu2+被组装成对H2O2刺激响应的纳米颗粒（EAC NPs），具有缓慢释放Cu2+的特性。然后，将EAC NPs引入胶原中，获得多功能复合支架（CS）。敷料可以促进血管生成、减轻炎症、预防细菌感染，并为细胞生长和粘附提供微环境，从而加速伤口愈合。
图1 EAC NPs功能化的胶原复合支架用于对伤口修复。
图2 EA、EAC-2和EAC-10 NPs自由基清除、溶血活性、铜离子释放和抗菌能力。
EA、EAC-2和EAC-10 NPs展现出的抗氧化活性，可以有效清楚ABTS和DPPH自由基（图2A-B）。纳米粒在100µg mL−1内的溶血率显著低于5%，具有优异的血液相容性（图2C）。Cu2+螯合在纳米颗粒上，展现出Cu2+的缓释行为，可以有效降低细胞毒性（图2D）。EAC-10 NPs可以有效抑制革兰氏阳性和阴性菌，其抗菌能力优于Cu2+和EGCG（图2E-H）。
图3 纳米粒的对H2O2刺激的细胞的保护、胞内ROS清除、NO清除和促血管生成能力。
EA、EAC-2和EAC-10 NPs可以有效保护细胞免受外源H2O2刺激的影响，使细胞免受氧化应激损伤（图3A-B）。纳米粒还具有优异的胞内ROS清除能力，对细胞展现出良好的保护作用（图3C-D）。此外，纳米颗粒能够有效降低NO的产生，抑制炎症的发展（图3E-F）。EA、EAC-2和EAC-10 NPs还能提升VEGF的表达，有助于促进血管生成（图3G）。EAC-2 和 EAC-10 NPs 能有效消除细胞外和细胞内的 ROS，减少 NO 的产生，促进VEGF的表达（图3H）。
图4 胶原复合支架的理化性质。
EAC-10 NPs被负载到胶原蛋白中，组装构建为支架（图4A）。纳米粒对胶原蛋白自组装过程无明显影响，展现出相似的流变学性质（图4B-C）。复合支架对纳米粒具有控释能力，可以在模拟伤口微环境中（基质金属蛋白酶）释放出纳米粒（图4D）。SEM图片显示胶原支架呈现出纤维组成多孔结构，有利于支持细胞的粘附和生长。在引入EAC-10 NPs后，多孔结构几乎没有改变，纳米粒固被固定在纤维上。
图5 复合支架对大鼠全层皮肤缺损修复中的作用。
大鼠全层皮肤缺损修复实验证明多功能胶原复合支架可以有效促进伤口修复，尤其是在伤口愈合前期（图5A-B）。此外，所有实验组老鼠的体重在任何时间点都没有差异,这表明CS2和CS10的生物相容性。H&E和Masson染色显示CS2和CS10组的胶原密度更高，证明了它们更好的愈合效果（图6A-B）。CD31染色结果显示CS10组血管形成最多，进一步证明了其优异的促血管生成作用（图6C）。
图6 新生皮肤的H&E、Masson和CD31免疫组化学染色结果。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adhm.202303297