《ACS Nano》武大余锂镭/邓红兵：自适应生物质水凝胶用于协同慢性伤口治疗！

第一作者：Jun Wu

通讯作者：余锂镭 邓红兵

通讯单位：武汉大学

研究速览：

近期，武汉大学余锂镭/邓红兵教授在ACS Nano上发表了具有 miRNA 免疫调节和长期细菌根除作用的自适应生物质水凝胶，用于协同慢性伤口治疗。慢性伤口抢救对糖尿病患者来说是至关重要的，但很难通过具体和长期的策略来实现。长期的细菌炎症在高血糖诱导的伤口中尤其普遍，通常导致严重的组织损伤。这种趋势可能进一步受到巨噬细胞为持续存在的金黄色葡萄球菌（S.aureus）提供的环境适宜性的影响，并可能因它们的相互增强而恶化。然而，抑制细菌生长和免疫重编程炎症型巨噬细胞以打破其对伤口愈合的恶性伤害的策略仍然缺乏。本文报道了一种包含免疫调节纳米颗粒的自适应生物质羧甲基壳聚糖（CMC）水凝胶可实现革兰氏阴性/革兰氏阳性细菌消除和抗炎细胞因子诱导，以改善皮肤微环境。从机制上讲，抗菌肽和CMCs协同作用对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）产生7天的长期抑制作用，miR-301A通过抗原/PI3K γ/mTOR信号通路对M2巨噬细胞进行重编程，从而减轻炎症并促进血管生成，促进糖尿病伤口愈合。在这方面，免疫调节水凝胶是一种有前途的全生物质敷料，确保生物相容性，为再生皮肤损伤组织和修复皮肤慢性伤口提供了前景。

要点分析：

要点一：设计具有miRNA免疫调节和长期细菌根除作用的自适应生物质水凝胶，用于协同慢性伤口治疗。有氧糖酵解在应激条件下产生乳酸，如创伤、感染、心肌梗塞和心力衰竭。乳酸是糖酵解不可避免的最终产物，与氧（O2）的可用性无关。令人信服的证据表明，在缺氧的深部感染性伤口中，由于巨噬细胞表型的对抗慢性疾病通常需要一个漫长而昂贵的治疗过程。众所周知，慢性皮肤伤口（如糖尿病足溃疡）的临床治疗会增加经济负担，给患者的日常生活带来很大困难。由于严重的细菌感染、长期的炎症和血管形成受损，慢性皮肤伤口很难治愈。为了对抗炎症，巨噬细胞由单核细胞发育而来，并浸润到受损区域，通过吞噬作用提供即时效应。巨噬细胞还通过免疫调节参与组织重建，并通过分泌抗炎细胞因子和生长因子在促进愈合过程中发挥关键作用。因此，对巨噬细胞的研究对治疗皮肤伤口的治疗越来越感兴趣。受益于重编程和再生的多潜能，基于巨噬细胞的治疗在心血管和炎症治疗中是有利的。然而，经典巨噬细胞（称为M1巨噬细胞）的持续存在与组织构建中的促炎细胞因子和过度炎症密切相关。在此，开发有效的M2表型极化方法已经成为一种流行趋势。基于microRNA（miRNA）的技术因其快速、持久的命运和分子水平的高效率而具有吸引力。例如，据报道miR-223可促进脂肪组织、肝损伤、和伤口愈合的抗炎反应。发现miRNAs在骨关节炎进展过程中增强M2巨噬细胞的极化。表达miR-690可重新调节肥胖小鼠的M2状态巨噬细胞并改善胰岛素敏感性。除了表达高水平的抗炎细胞因子外，M2状态巨噬细胞免疫调节还可刺激癌细胞转移。miR-301A就是这样一个例子。据报道，来自缺氧外来体的上调miR-301a将巨噬细胞导向anM2样表型，并促进胰腺癌生长。由于不同的复杂环境或脱靶错误的未知干扰，使用miR-301a促进伤口愈合具有挑战性。此外，高效地将基因递送到伤口区域仍有待探索，巨噬细胞已被提及为持续存在的金黄色葡萄球菌（S.aureus）提供了合适的环境，这削弱了抗炎过程。对于伤口敷料材料的合理设计，应考虑巨噬细胞调节和抗菌活性。尽管有抗生素，但多种抗菌肽（AMPs）在生物体中提供有效的防御。由于其生物安全功能，AMPs被设计用于感染伤口的协同治疗。人们认为短肽（ILPWKWPWWPWRR）对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都具有抗菌能力。然而，AMPs形态变化中出现的问题，包括pH波动或剧烈降解，是抗菌的障碍。应用。尽管通过抗菌肽自组装制造的纳米颗粒（NPs）被认为是紧凑的结构，需要更多的努力来确定它们在局部伤口释放过程中更长的稳定性。伤口敷料因其便利性和多种功能而被广泛用于这些目的，其中基于水凝胶的敷料越来越受到关注。通过利用控制递送的优势，水凝胶能够局部释放货物，以避免全身药物给药。此外，水凝胶对炎性渗出物的吸收可以介导伤口微环境，从而降低炎症并预防感染。研究小组已经报道了壳聚糖基材料，该材料具有多种优点，包括物理稳定性和生物相容性。2壳聚糖家族，特别是那些具有羧甲基修饰的壳聚糖（CMCs），显示出很强的抗菌作用，是皮肤伤口愈合的理想选择。CMC水凝胶可以基于阴离子凝胶化策略制备，有效改善物理化学性质，离子配位配方只需要一个反应条件，允许多功能生物分子的受控递送。在此，开发了一种负载有修饰的AMP（mAMP）和miR-301A的生物质水凝胶。球形NPs（mAMP/miR-301a）是通过带正电荷的mAMP与带负电荷的miR-301a3pmimicinsolution自组装形成的。我们的结果表明，NPs在物理上是稳定的，并增强了细胞内化，这有助于M2巨噬细胞极化以抗炎。当应用于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)感染的伤口非糖尿病模型时，负载PS的水凝胶可以消除细菌感染，激活巨噬细胞促进伤口愈合，为组织修复提供有利的环境。因此，为慢性皮肤伤口的免疫治疗开发了一种简单有效的策略，并证明了其临床应用的前景。

图文导读

图1. MAMP/miR-301a纳米粒子的制备和表征。（a）MAMP/miR-301a纳米粒子的制造图。（b）用于MAMP鉴定的质谱法。（c）通过琼脂糖凝胶电泳检测的miR-301a负载能力。（d）miR301a、mAMP和mAMP/miR-301a NPs的ζ电位。（e）NPS悬浮液的廷德尔效应。(f)MAMP/miR-301a NPs的TEM图像。（g）纳米粒子的直径分布。数据显示为平均值±SDs(n=3)。。

图2. MP/miR-301a@CMCs的机械、自修复和适应特性。（a）MAMP/miR301a@CMCs的凝胶化图。（b）制备MP/miR-301a@CMCs的代表性图片。（c）MAMP/miR-301a@CMCs的SEM图像（比例尺：100 μm）。（d）AMP/miR-301a NPsinCMC水凝胶放大水平的SEM图像（比例尺：1 μm）。（e）MAMP/miR-301a@CMCs的频率响应和（f）应变响应流变特性。（g）MAMP/miR-301a@CMCs的循环低-高剪切应变（1-300%）的研究。（h）MAMP/miR-301a@CMCs的自愈合和（i）自适应研究。

图3. MAMP/miR-301a@CMCs的长期抗菌活性分析。（a）不同处理下大肠杆菌和MRSA菌落的琼脂平板24小时。（b）CMCs和MAMP/miR-301a@CMCs的抗菌活性。（c）大肠杆菌（106 perCFU，5毫升）和（d）MRSA（106 perCFU，5毫升）溶液与不同组孵育7天的图像。（e）mAMP/miR301a@CMCs在7天内累积释放mAMP。（f）用CMCs和mAMP/miR-301a@CMCs处理24小时的大肠杆菌和MRSA生物膜的SEM图像。比例尺：500纳米。（g）用MAMP/miR-301a@CMCs处理的MRSA培养基的K+浓度。（h）用水凝胶培养的MRSA生物膜的膜渗透性的CLSM图像。SYTO-9染色，绿色通道；皮斯泰宁，红通道。比例尺：20 μm。（i）CMCs和MAMP/miR-301a@CMCs处理后MRSA的抗生物膜活性。（平均值±SD，n=3，*p<0.05和**p<0.01，学生t检验。）

图4. 细胞增殖和迁移。（a）与CMCs和MAMP/miR-301a@CMCs孵育的NIH/3T3细胞的荧光图像。钙黄绿素-AM4染色，绿色通道；皮斯泰宁，红通道。比例尺：200 μm。（b）第1、3和7天的CCK-8测定。（c）相对细胞活力测定。NIH/3T3细胞与CMCs和MAMP/miR-301a@CMCs的迁移。比例尺：200 μm。（f）CMCs和MAMP/miR-301a@CMCs的溶血比。对照组：蒸馏水。（gandh）不同时间从RAW 264.7巨噬细胞中mAMP/miR-301a@CMCs释放的Cy3标记的miRNA的荧光图像。绿色isCy3标记的miRNA和蓝色ISDAPI。(平均值±SD，n=3，*p<0.05和**p<0.01，学生t检验。)比例尺：200 μm。

图5. MAMP/miR-301a@CMCs对M2巨噬细胞的极化。（a）不同处理的CD86和CD206的免疫荧光图像。比例尺：250 μ m.qRT-PCR测定用CMCs和MAMP/miR-301a@CMCs处理的RAW264.7巨噬细胞中（b）IL-6、TNF-α、andiNOS（促炎基因）和（c）Arg1、TGF-β、andIL-10（抗炎基因）的表达。（d）检测TNF-α和INOS（促炎细胞因子）和IL-10（抗炎细胞因子）分泌。（eandf）用CMCs和MAMP/miR-301a@CMCs处理的RAW264.7巨噬细胞中PTEN、PI3K γ、mTOR和mTOR磷酸化（p-mTOR）水平的蛋白质印迹评估。（g）MAMP/miR-301a@CMCs诱导的M2型巨噬细胞极化示意图。（平均值±SD，n=3，*p<0.05和**p<0.01，学生t检验。）

图6：mAMP/miR-301a@CMCs加速糖尿病大鼠MRSA感染伤口的增殖和再生。（a）mAMP/miR-301a@CMCs糖尿病伤口建立和修复过程的时间轴。（b）修复过程中伤口的代表性照片。比例尺：1 cm。（c）伤后伤口大小。（dande）在第7、14和21天伤口区域的H&E和Masson染色。比例尺：500 μm。方框表示胶原纤维。（f）21天伤口区域IL-6、TNF-α、IL-10、TGF-β和苦天狼星红染色图像的免疫组织化学染色。比例尺：100 μm。数据显示为平均值±SDs（n=3）。

结论

总之，生物质水凝胶易于制备，可注射到不同形状的伤口中，并具有自愈合特性。通过自组装到水凝胶中来定制MAMP/miR-301a的NPs带来了一种简单的全生物质结构，而无需化学或紫外线交联，这是主要保留生物成瘾功能的结果。由于mAMP/miR-301a@CMCs具有至少7天抑制的长期抗菌特性，在糖尿病模型中提供了对细菌感染的有效防御。生物相容性水凝胶在高多孔网络框架的帮助下也是细胞迁移和增殖的理想选择。此外，我们的系统能够通过PTEN/PI3K/mTOR途径诱导巨噬细胞极化；因此，通过免疫调节水凝胶直接使用miR-301A为皮肤组织提供了再生能力。mAMP/miR301a@CMCs协同表现出长期MRSA辐射和M2型巨噬细胞极化的免疫调节功能，这提供了一种有前途的伤口敷料，并可能扩大慢性伤口处理的领域。

全文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c02736

参考文献：Self-Adapting Biomass Hydrogel Embodied withmiRNA Immunoregulation andLongTerm Bacterial Eradiation forSynergistic Chronic Wound Therapy. JunWu, Yang Wu, Heng Tang, WeiLi, ZeZhao, Xiaowen Shi, Hong Jiang, Lilei Yu,andHongbing Deng.

ACS Nano

作者及团队介绍：

余锂镭：

心血管内科医学博士，主任医师，教授，博士生导师。入选国家“万人计划”，获评国家卫生健康委突出贡献中青年专家、国家教学名师（首届课程思政）、全国抗击新冠肺炎疫情先进个人、全国优秀共产党员、全国向上向善好青年。任湖北省医师协会副会长、美国心脏病学会Fellow（FACC）、欧洲心脏病学会Fellow（FESC），担任Cardiovasc Innov Appl副主编、PACE编委等。致力于心血管疾病的临床及转化研究，近年以第一或通讯作者（含共同）发表高质量研究70余篇，主持国家“万人计划”、国家自然科学基金（5项）、湖北省自然科学杰出青年基金、湖北省创新群体、湖北省新世纪高层次人才工程等项目17项。研究获湖北省科技进步一等奖两项（2018年、2022年）、中华医学科技奖、美国心脏病学院心脏介入“青年成就奖”（全球每年2人）等，被《中华心律失常学》杂志评为当年心律失常领域全球十大研究进展之一，并入选中华医学会心血管病学会“心血管事业70周年回顾”。

邓红兵：

武汉大学弘毅特聘教授，博士生导师，教育部“全国万名优秀创新创业导师”，湖北省委宣讲团成员，生物质资源化学与环境生物技术湖北省重点实验室主任，湖北省示范性劳模与职工创新工作室负责人，湖北省“楚天英才计划”科技创新团队负责人，武汉大学-奥美医疗生物质材料联合研发中心主任。1999年9月起先后在武汉大学获得学士、硕士和博士学位。曾获湖北省高校优秀共产党员、湖北省五一劳动奖章、全省基层理论宣讲优秀理论宣讲报告、湖北省教科文卫系统职工创业创新比赛“最佳创业奖”、湖北省首届“工友杯”职工创业创新大赛创业组“十佳创业奖”（第一名）、首届美国百人会英才奖、武汉大学杰出青年（教职工）、武汉大学“青年五四奖章”、武汉大学“我心目中的好导师”、武汉大学“查全性教授1977奖教金”、武汉大学本科教学业绩奖、武汉大学课外学术科技创新活动“优秀指导老师”等表彰，曾担任武汉大学第十届研究生会主席。指导本科生获“互联网+”、“挑战杯”、“创青春”中国大学生创业计划竞赛国家级奖项6项（金奖1项、银奖4项和铜奖1项）、省级奖项11项（金奖8项、银奖3项）；“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛国家一等奖和二等奖各1项、省级特等奖2项；湖北省大学生优秀科研成果奖一等奖1项及二等奖2项等。受聘担任“挑战杯”“创青春”全国大学生创新创业大赛武汉大学总教练、武汉大学科创竞赛教练团青年教师分团副团长、全球重大挑战论坛学生竞赛武汉大学教练（中美英三国工程院主办）、武汉大学大学生科研训练专家指导委员会委员。

来源：抗菌科技圈