糖尿病伤口愈合是一个复杂的过程，具有三个重叠阶段：炎症、增殖和重塑。不愈合的糖尿病伤口是糖尿病患者常见的并发症。突发性损伤损害脉管阻碍氧气输送到伤口，形成在伤口周围形成低氧环境。这种缺氧会因耗氧量高的炎症细胞的募集而加剧。虽然急性缺氧会促进细胞增殖并启动组织修复，但慢性伤口中的长期缺氧会通过抑制血管生成、再上皮化和细胞外基质合成来损害愈合过程。增强伤口组织氧合是慢性伤口愈合的关键。虽然在过去的几十年中，一些临床方法（包括高压氧疗法）促进了糖尿病伤口愈合，但仍然无法实现持续氧合。因此，开发能够长时间持续为伤口床供氧以加速愈合的产氧系统至关重要。
鉴于此，美国华盛顿大学圣路易斯分校Jianjun Guan教授开发了一种基于释氧微球（ORM）和可注射、快速胶凝和活性氧（ROS）清除水凝胶（ROSS凝胶）的制氧系统。水凝胶捕获糖尿病伤口中自然升高的ROS，这可能会通过从施用的微球体释放的氧气进一步升高。氧气的持续释放增加了角质形成细胞和真皮成纤维细胞的存活和迁移，促进了糖尿病伤口中血管生成生长因子的表达和血管生成，并降低促炎细胞因子的表达。这些效果显着提高了伤口闭合率。这项研究结果表明在不使用药物的情况下，仅持续氧合就可以治愈糖尿病伤口。相关工作以“Sustained oxygenation accelerates diabetic wound healing by promoting epithelialization and angiogenesis and decreasing inflammation”为题发表在国际顶级期刊《Science Advances》上。
分子氧的持续释放和缺氧条件下的细胞存活率表征
作者使用了氧敏感发光体来确定氧释放动力学（图1）。释氧微球ORM（核壳结构，直径约为5 μm）能够在2周的实验期间持续释放氧气。释放2天后氧含量达到5%以上，并在第3天至第14天保持在10%以上。为了评估从ORM释放的氧气是否能够提高缺氧条件下的细胞存活率，在1%氧气下用ORM孵育人角质形成细胞（HaCaT细胞）、人真皮成纤维细胞（HDF）和人动脉内皮细胞（HAEC）。结果表明，在缺氧条件下，释放的氧气有效地增加了皮肤细胞的存活率并且释放的氧不会过度产生ROS诱导细胞凋亡。划痕试验结果表明，在缺氧条件下释放的氧气还促进了皮肤细胞迁移。此外，作者将ORM注射到接种了HAEC的三维 (3D) 胶原结构中进行体外内皮管形成试验。在1%氧气下培养16小时后，HAEC组装的管腔数量显着增加，管腔密度比对照组增加约2.5倍。
图1 ORMs在体外持续释放氧气并调节皮肤细胞行为
水凝胶在氧化应激下提供ORM和保护皮肤细胞的性能
作者合成了一种具有快速凝胶化速率的可注射和热敏水凝胶，用于捕获糖尿病伤口中上调的ROS，以保护皮肤细胞免受ROS诱导的细胞凋亡（图2）。这种水凝胶还可以消除过度释放氧气产生的ROS。水凝胶溶液和ORM (40 mg/ml)的混合物在4°C下可注射，并在37°C下快速凝胶化（6秒）。水凝胶的ROS清除能力是根据其对羟基自由基(HO•)和超氧化物(O2•-)的消耗以及由H2O2引起的水凝胶重量损失来评估的。在孵育1天后，水凝胶消除的O2•-比对照水凝胶多八倍。在存在100 μM H2O2的情况下将HaCaT细胞接种在水凝胶表面并量化细胞活力。发现接种在水凝胶上的 HaCaT细胞在100 μM H2O2中在48小时没有发生实质性的细胞凋亡，甚至在72小时增殖。这些结果表明ROS响应水凝胶能够保护角质形成细胞免受病理氧化应激引起的细胞凋亡。
图2 清除ROS的水凝胶通过消耗羟基自由基和超氧化物来保护氧化应激下的皮肤细胞
持续氧合和ROS清除加速伤口愈合以及对细胞增殖和代谢的促进
为了确定持续氧合和ROS清除是否可以加速糖尿病伤口愈合，作者将含有ORM的水凝胶施用到糖尿病小鼠的全层切除伤口上（图3）。未治疗的伤口（无治疗组）和单独用水凝胶治疗的伤口（凝胶组）用作对照。用凝胶/ORM治疗的伤口比未治疗和凝胶组具有更高的闭合率。释放氧的持续氧合以及ROS清除还可有效地加速了角质形成细胞的迁移和毛囊的形成，从而促进了糖尿病伤口的再上皮化。表皮厚度是伤口愈合的另一个指标，在初始炎症和增殖阶段增加，然后在重塑阶段减少。在第8天，用Gel/ORM 处理的伤口表现出最厚的表皮。到第16天，它变得最薄，表明持续氧合和ROS清除促进了伤口从炎症和增殖阶段到重塑阶段的愈合进程。此外，为了在细胞水平上了解持续氧合和ROS清除在糖尿病伤口愈合中的作用，作者检查了伤口中的细胞增殖和代谢（图4）。与无治疗组相比，单独水凝胶的ROS清除活性显着增加了增殖细胞的密度。
图3封装在ROS清除水凝胶中的ORM加速了小鼠的伤口愈合
图4持续氧合和ROS清除促进细胞增殖和代谢
小结：作者提出了一种持续氧合系统，由氧释放微球和活性氧 (ROS) 清除水凝胶组成。微球快速释放足够的氧气以支持细胞在缺氧条件下存活并维持氧气释放至少2周。氧气的持续释放具有多重作用：促进皮肤细胞存活、迁移和旁分泌作用；刺激内皮管形成和血管生成；并减少组织炎症。这项研究代表了一种无需使用药物即可加速糖尿病慢性伤口愈合的有效治疗方法。
全文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/35/eabj0153
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