糖尿病是一种常见的病症，因糖尿病引发的伤口感染已成为全球重大的医疗负担。伤口感染会导致白细胞功能受损和炎症反应失衡，从而抑制中性粒细胞和巨噬细胞向伤口迁移。当伤口进一步恶化时，主要临床特征是生理功能严重受损、大量促炎因子被激活、血管生成不足、活性氧 (ROS) 过度产生、周围神经病变和毛囊丢失等。目前，由于临床敷料的单一性，缺乏具有高吸收性、可定制形状、快速自愈、引导组织再生和恢复生理功能的全身性多功能伤口敷料。因此，糖尿病感染性伤口治疗仍然是再生医学面临的重大挑战。
北京科技大学温永强教授、杜宏武教授，北京大学人民医院张培训教授等人通过DNA接枝、聚乙烯亚胺动态交联以及掺杂黑磷量子点，制备了一种多功能DNA水凝胶敷料。该水凝胶具有优异的渗出液吸收性能、可调加热能力、力学行为、自愈能力、可写性、组织粘附和抗菌性能。原花青素 B2 (OPC B2) 的掺入赋予了 DNA 水凝胶显著的清除自由基和抗氧化特性。此外，该水凝胶敷料可以使伤口保持稳定的重塑状态、激活神经元转变为修复状态、加速皮肤神经再生和血管生成。除此之外，它还具备促进组织再生的能力，可以促进毛囊和毛发再生。因此，这种先进的水凝胶敷料为临床治疗糖尿病感染伤口、引导组织再生提供了一种有效的方法。该研究以题为“Multifunctional DNA Hydrogels with Hydrocolloid-Cotton Structure for Regeneration of Diabetic Infectious Wounds”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
【DNA水凝胶制备及其药物释放】
作者设计了一种多功能的 DNA 水凝胶敷料（图1）。基于碱基配对原理，作者开发了树枝状大分子X+Y形DNA连接结构，然后与掺有黑磷量子点的聚乙烯亚胺动态交联形成生物活性 DNA 水凝胶 (PBCD)，并在其中加载B2 (OPC B2)。OPC B2 作为一种天然营养素，具有抗氧化和清除自由基的能力，并能促进细胞增殖和血管生成。作者探索了 PBCD中营养物质的释放特征。没辐照时，PBCD 释放的 OPC B2 量仅为 19.0%。在近红外激光（NIR）下，药物的释放率在 10 小时内达到 74.7%（图 2g），说明在NIR下，PBCD 会触发热反应以释放养分。14小时后 PBCD 的溶胀率开始突然下降（图 2h）。作者认为是光热作用导致凝胶温度升高，凝胶内部的动态键被破坏。这表明凝胶在体外具有优异的降解效率，可以引发良性脱离，对减少继发性损伤起到了显着的作用。
图1 水凝胶的制备、促进糖尿病感染性伤口愈合机制示意图
图2水凝胶的光热特性及其药物释放
【体内糖尿病感染伤口的愈合性能】
作者建立了全层皮肤感染的糖尿病小鼠模型，观察皮肤在OPC B2、PBCD、OPC B2/PBCD和OPC B2/PBCD（NIR）下的愈合性能。在0-10天内对小鼠的伤口进行摄影监测（图 3b）。OPC B2、PBCD组伤口均在2天后出现不同程度的溃疡，而后两组并没有进一步恶化，这直接证明了水凝胶的光热性能具有优异的抗菌性能。此外，水凝胶敷料提供的3D空间结构可以吸收大量脓液组织液，为伤口愈合提供了完美的环境。治疗10天后，第4组治疗的伤口几乎完全愈合，创面愈合率高达99.9%（图3c），而其他组的伤口没有完全闭合。第6天，第 4 组观察到有新皮形成（图 3d），而在第10天形成上皮层，可清晰观察再生结构和新生毛囊组织。然而，其他组的伤口没有完全闭合，表皮几乎看不见。结果表明，OPC B2/PBCD在NIR触发下具有优异的伤口愈合性能。
图3糖尿病感染伤口愈合
【水凝胶敷料赋予组织再生特性】
为了评估 OPC B2/PBCD（NIR）对感染伤口的影响，作者监测了伤口微环境的变化（图4a）。巨噬细胞主要表现为炎症期的 M1 表型和修复期的M2表型。M1释放促炎因子诱导组织损伤，M2释放抗炎因子减少炎症，加速伤口愈合，促进组织再生。作者评估了 3、5 和 7 天的伤口组织。在治疗的第5天和第7天，OPC B2/PBCD（NIR）的IL-10和TGF-β1的mRNA表达量最高，几乎是对照组的1.8-2.5倍。说明OPC B2/PBCD（NIR）在炎症早期有效促进巨噬细胞从M1向M2表型的转化。为了评估 DNA 敷料对感染性伤口的修复效果，作者对血管内皮细胞标志物 CD31 进行免疫组织化学染色，以确认伤口愈合过程中新血管的形成。结果表明，只有 OPC B2/PBCD（NIR）在第 6 天观察到新血管，说明OPC B2/PBCD（NIR）促进了血管生成。除此之外，作者研究发现，它还具备促进毛囊和毛发再生的能力。
图4 水凝胶敷料的抗炎机制
总结：作者成功开发了一种水凝胶敷料，以促进糖尿病感染性伤口愈合和组织再生。该DNA水凝胶敷料显示出适当的机械性能、自愈能力、可写性和组织粘附性。此外，其还具有包括抗菌、抗氧化、抗炎、调节巨噬细胞极化、促进神经和血管生成等多种功能。总之，该多功能DNA水凝胶敷料为治疗糖尿病感染性伤口提供了一种有效、有前景、实用的联合疗法，为临床再生医学带来了新的希望。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106167
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