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局部葡萄糖耗竭和NO持續(xù)釋放的級聯(lián)雙層微針貼片用于加速糖尿病傷口愈合

閱讀:302      發(fā)布時(shí)間:2024-12-2
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如今,,糖尿病作為一種常見的慢性疾病,,在全球范圍內(nèi)給患者生活帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。糖尿病足潰瘍(DFU)作為糖尿病的一種嚴(yán)重并發(fā)癥,,令患者苦不堪言,,并且是糖尿病患者面臨截肢風(fēng)險(xiǎn)的重要因素。DFU 的廣泛發(fā)生對糖尿病患者的家庭和整個(gè)醫(yī)療保健系統(tǒng)都造成了巨大的經(jīng)濟(jì)壓力,。皮膚傷口愈合是一個(gè)復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的過程,,包括三個(gè)不同的階段:炎癥、增殖和重塑,。然而,,糖尿病傷口環(huán)境中的高血糖水平通常會阻礙傷口組織向關(guān)鍵的重塑階段過渡,從而導(dǎo)致慢性甚至不愈合傷口的形成,。此外,,通常由細(xì)菌感染引起的傷口過度炎癥也是導(dǎo)致組織再生受損的一個(gè)關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)的治療方法往往難以同時(shí)解決高血糖,、細(xì)菌感染和炎癥等關(guān)鍵問題,,導(dǎo)致DFU的愈合過程緩慢且充滿挑戰(zhàn)。因此,,降低葡萄糖濃度以及在創(chuàng)面床局部環(huán)境中輸送抗菌和抗炎劑已成為治療慢性糖尿病傷口的新型治療方法,。近日來自武漢大學(xué)的一項(xiàng)最新科研成果為糖尿病傷口治療帶來了全新的希望——一種創(chuàng)新的雙層微針貼片。此微針貼片的核心在于其特別的雙層設(shè)計(jì),,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)局部葡萄糖消耗和持續(xù)釋放一氧化氮(NO)兩大功能,。高血糖是糖尿病傷口難以愈合的關(guān)鍵因素之一,而該貼片通過葡萄糖氧化酶(GOx)的作用,,能夠有效降低傷口局部的葡萄糖濃度,,從而改善傷口微環(huán)境,為愈合創(chuàng)造有利條件。與此同時(shí),,貼片還能持續(xù)釋放NO,,這是一種具有強(qiáng)大抗菌和抗炎作用的分子。NO能夠破壞細(xì)菌生物膜,,殺滅致病菌,,同時(shí)減輕炎癥反應(yīng),進(jìn)一步促進(jìn)傷口愈合,。這種時(shí)空響應(yīng)性的雙層微針貼片設(shè)計(jì),,使得治療更加精準(zhǔn)高效,能夠在傷口處快速發(fā)揮作用,,加速愈合進(jìn)程,。

這項(xiàng)研究成果以題為“Spatiotemporally responsive cascade bilayer microneedles integrating local glucose depletion and sustained nitric oxide release for accelerated diabetic wound healing",在《Acta Pharmaceutica Sinica B》期刊發(fā)表,。武漢大學(xué)藥學(xué)院博士研究生曾勇年為第一作者,,武漢大學(xué)中南醫(yī)院黃建英主任和武漢大學(xué)藥學(xué)院黎威教授為共同通訊作者。





這種G/AZ-MN 微針貼片由兩部分組成:1) 由 MMP-9 可降解的甲基丙烯酸明膠(GelMA)包裹葡萄糖氧化酶 (GOx) 組成的頭部層,;2)由可溶解透明質(zhì)酸(HA)制成的基底層,,封裝有酸響應(yīng)型負(fù)載L-精氨酸的ZIF納米粒子(Arg@ZIF-8 NPs)(圖1A)。其中,,該微針貼片是利用摩方精密 microArch® S240 (精度:10 μm)3D打印設(shè)備加工模具后經(jīng)PDMS翻模制備而成的,。


圖1. 雙層微針用于創(chuàng)面愈合示意圖



在傷口部位應(yīng)用后,水溶性基底層迅速溶解,,從而釋放出Arg@ZIF-8 NPs,,同時(shí)將可降解的負(fù)載GOx的頭部層植入傷口組織中。在糖尿病傷口中高度表達(dá)的MMP-9酶的催化下,,MNs的GelMA頂端加速降解,,GOx被釋放到傷口組織中。GOx 酶隨后催化葡萄糖氧化,,產(chǎn)生H2O2并通過葡萄糖酸降低pH值,。這種雙重作用不僅降低了局部的葡萄糖水平,而且還啟動(dòng)了一個(gè)級聯(lián)反應(yīng),,引發(fā)了Arg@ZIF-8 NPs的降解,,導(dǎo)致Zn2+和Arg的釋放。釋放的Zn2+有效地抑制了細(xì)菌生物膜的形成,,而Arg與H2O2反應(yīng)持續(xù)產(chǎn)生NO,,從而通過抗菌和抗炎作用在促進(jìn)傷口愈合方面發(fā)揮關(guān)鍵作用(圖 1B)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,,這種雙層微針貼片在治療糖尿病傷口方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢,。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,,貼片能夠顯著加速傷口的愈合速度,,減少炎癥和感染的發(fā)生,,同時(shí)降低血糖水平。此外,,該貼片還具有良好的生物相容性和安全性,,不會對機(jī)體產(chǎn)生不良影響。


圖2. 雙層微針的制備和表征



研究人員首先成功制備了形態(tài)良好的G/AZ-MN微針貼片,,能夠成功穿刺皮膚并實(shí)現(xiàn)給藥。標(biāo)記針尖的FITC熒光與RhB標(biāo)記基座部分Arg@ZIF-8 NPs顯著的熒光差異證明了微針的雙層結(jié)構(gòu),。此外,,針尖的GelMA能夠有效響應(yīng)MMP-9促進(jìn)GOx的釋放,GOx啟動(dòng)葡萄糖的消耗反應(yīng)有效產(chǎn)生 H2O2并通過產(chǎn)生葡萄糖酸降低pH值引發(fā)基座部分ZIF-8納米粒子的降解(圖2),。


圖3. 納米粒子以及微針的抗菌性能表征



接著,,研究人員驗(yàn)證了ZIF-8納米粒子降解產(chǎn)生的Zn2+與一氧化氮的抑菌效果,此微針貼片良好的酸響應(yīng)性抗菌對S.aureus為代表的革蘭氏陽性菌和以E.coli為代表的革蘭氏陰性菌具有普遍殺傷作用,,能夠抑制生物膜的形成和破壞形成的生物膜(圖3),。


圖4. 微針用于感染性糖尿病創(chuàng)面愈合的研究



然后,通過構(gòu)建糖尿病大鼠傷口感染模型驗(yàn)證了此微針貼片的治療效果,,傷口處的H&E染色,、TNF-α的免疫組化染色、平板涂布結(jié)果驗(yàn)證了貼片能夠顯著加速傷口的愈合速度,,減少炎癥和感染(圖4),。

總結(jié):本項(xiàng)工作中研發(fā)了一種雙層 MN 貼片 (G/AZ-MNs),它具有直接穿透形成的生物膜的能力,,從而提高了藥物遞送效率,。該貼片還能適應(yīng)糖尿病傷口的微環(huán)境,并持續(xù)釋放多功能 NO,,從而通過其降血糖,、抗菌和抗炎作用促進(jìn)慢性傷口愈合過程。封裝 GOx 的 MN 被證明在通過葡萄糖耗竭減輕局部高血糖方面非常有效,。此外,,MN基座中存在的 NPs 表現(xiàn)出酸響應(yīng)降解行為,釋放 Zn2+ 以引發(fā)抗菌作用,。同時(shí),,從降解的 NPs 中釋放的 Arg 在 H2O2 存在下轉(zhuǎn)化為 NO,隨后引起抗菌作用并誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞極化以抗炎,。此外,,研究人員發(fā)現(xiàn) G/AZ-MNs 持續(xù)釋放 NO 可以上調(diào) (血管內(nèi)皮生長因子)VEGF 的表達(dá),,從而促進(jìn)傷口新生血管形成。這種雙層微針貼片不僅對糖尿病傷口有效,,而且對生物膜形成的糖尿病傷口也有效,,在這兩種情況下都顯示出令人滿意的治療效果。


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