AFM 华理陈超/上交沈灏: 仿生水凝胶加速糖尿病伤口愈合

持续的微生物感染和新生血管减少是糖尿病伤口治疗中常见的问题。伤口表面生物膜的形成可以防止抗生素的渗透，保护底层微生物免受治疗，促进耐药细菌的发展，已证明90%以上的糖尿病慢性伤口存在耐药细菌。正常的伤口愈合过程高度依赖于血管生成，这对组织再生和抗感染控制至关重要。然而，在糖尿病伤口中，缺氧诱导因子1α (HIF-1α)的下调和功能障碍以及由此导致的血管内皮生长因子A (VEGFA)的低表达将最终导致减少新生血管，从而损害伤口愈合。因此，有效的伤口敷料应该具有协同抗菌能力和血管生成诱导活性。

近期，华东理工大学陈超/上海交通大学沈灏教授团队在Adv. Funct. Mater上题为Bioinspired Intrinsic Versatile Hydrogel Fabricated by Amyloidal Toxin Simulant-Based Nanofibrous Assemblies for Accelerated Diabetic Wound Healing的文章，开发了一种基于淀粉样毒素模拟物的多功能超分子水凝胶(Fmoc- lfkffk - nh2，简称FLN，其中Fmoc代表一个氟烯基甲基氧羰基)。这些毒素模拟物可以自组装成纳米纤维，并进一步缠绕形成水凝胶基质。与之前提出的水凝胶平台相比，基于FLN的组装体独特的β-片层结构使所制备的水凝胶具有固有的抗菌和血管生成诱导活性，从而在不加入添加剂的情况下促进伤口愈合，从而避免了耐药性，复杂的制备过程和有害的细胞毒性。

水凝胶敷料本身具有抗菌和血管生成诱导作用，因此可以避免抗生素或血管生成药物的使用。在此，利用淀粉样毒素模拟物(Fmoc-LFKFFK-NH2, FLN)作为构建块，受金黄色葡萄球菌防御策略的启发，制备了一种多功能水凝胶。水凝胶的模拟组件作为糖尿病创面治疗的基质组件和功能组件。在多重非共价相互作用的驱动下，水凝胶从随机单体快速组装成具有丰富β片层纳米纤维。开发的水凝胶具有良好的生物相容性，并通过HIF-1α和VEGFA信号作为其淀粉样结构的结果，加速血管生成。基于模拟物的纳米纤维赋予水凝胶以膜破坏机制为主的广谱抗菌活性。此外，与商品水凝胶Prontosan相比，该水凝胶在加速感染耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的糖尿病小鼠伤口愈合方面表现出优异的性能。本研究强调了一种单组分、多功能的水凝胶平台的制备，从而避免了药物相关的副作用和复杂的制备，并证明了其作为治疗微生物感染的糖尿病伤口的临床敷料的巨大潜力。

图1. 生物激发多功能水凝胶由淀粉样毒素模拟基纳米纤维组件，通过固有的抗菌和血管生成诱导活性，实现糖尿病伤口加速愈合

图2 FLN水凝胶的基本特性表征：a)水凝胶砌块(FLN)的结构公式。b)鲜制水凝胶及水凝胶转管试验。c) 0.1 wt% fln基水凝胶的TEM图像，d) 0.1 wt% FLN水凝胶AFM图像。e)稀释水凝胶中单根淀粉样原纤维的高度和周期。f)冻干水凝胶在超纯水中浸泡3 d后的SEM图像。g) 1.0 wt% fln基水凝胶(pH = 6)流变学表征的时间扫描曲线。h) 1.0 wt% fln基水凝胶(pH = 6)流变学表征的频率扫描曲线。i) 1.0 wt%FLN水凝胶随时间变化的步进应变流变实验

图3 基于AAMD仿真的FLN定向自组装机制。a) AAMD过程中肽段组装结构的代表性快照。b) FLN组装中二聚体构象的代表性模拟快照和可能的相互作用。c) FLN单体间的径向分布函数。d)类苯结构中碳原子径向分布函数。e) MD过程中氢键数量的变化。f) FLN组装体中肽-肽能量分解分析

图4 不同浓度FLN水凝胶对MRSA和铜绿假单胞菌的体外抗菌活性和抗生物膜形成活性。a)菌落统计数据。b)琼脂平板图片。c)不同浓度水凝胶垫处理MRSA的活死染色结果。d)菌落统计数据。e)琼脂平板图片。f)不同浓度水凝胶垫处理铜绿假单胞菌活体染色结果。g)在不同浓度的水凝胶中孵育一体化MRSA生物膜的结晶紫染色图像及其相应的吸光度。以未与水凝胶孵育的生物膜为对照。h)不同浓度水凝胶抗生物膜效果激光扫描共聚焦显微镜图片

该水凝胶使用淀粉样毒素模拟物(FLN)和PBS简单混合后制备，凝胶在极低浓度(0.05 wt%)、短时间(5分钟)和微酸性pH条件下发生。在这一过程中，FLN通过自底向上的自组装形成富含β-片结构的纳米纤维，这些纳米纤维以π - π堆积、疏水相互作用和氢键为主。由于其丰富的β-sheet结构，该水凝胶具有良好的相容性和模拟ECM活性，在体外促进细胞增殖、粘附和迁移。最重要的是，它还通过上调HIF-1α和VEGFA等血管形成相关因子促进血管生成。同时，暴露在自组装纳米纤维中的带正电荷的Lys残留物提高了细菌的粘附性，并通过破膜机制赋予水凝胶优良的抗菌和抗生物膜形成活性。体内实验表明，与商业化的Prontosan水凝胶相比，FLN基水凝胶能显著刺激MRSA感染的糖尿病伤口愈合，这归因于FLN基水凝胶固有的抗菌和血管化活性。综上所述，该水凝胶优越的生物相容性和显著的促进慢性伤口愈合的作用，使其在伤口敷料中具有巨大的应用潜力;其固有的多用途特性将减少抗生素、细胞和功能材料的使用，以及随之而来的耐药性或细胞毒性的发展。

文章来源：

https://doi.org/10.1002/adfm.202106705

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