蘇州大學(xué)嚴(yán)鋒教授團(tuán)隊(duì)：小球藻抗菌微針治療糖尿病創(chuàng)面

更新時(shí)間：2024-05-24

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慢性創(chuàng)面是一種發(fā)病率很高的流行病，影響著超過1%的人們，已經(jīng)成為醫(yī)療保健系統(tǒng)中的一大挑戰(zhàn)。糖尿病創(chuàng)面是影響許多糖尿病患者的典型慢性創(chuàng)面，由于其愈合困難和復(fù)發(fā)率高。雖然已經(jīng)開發(fā)了涉及生化(如生長因子)和生物物理(如負(fù)壓療法和高壓氧療法)的糖尿病傷口治療的新療法，但慢性創(chuàng)面的治療效果仍然不令人滿意。此外，細(xì)菌感染在慢性糖尿病創(chuàng)面中普遍存在，這會加劇傷口的缺氧和營養(yǎng)缺乏。更重要的是，糖尿病創(chuàng)面的高糖微環(huán)境會進(jìn)一步增加微生物感染的可能性，并導(dǎo)致血管生成受損和巨噬細(xì)胞功能障礙，進(jìn)一步延緩傷口的愈合過程。因此，有效清除微生物和調(diào)節(jié)創(chuàng)面微環(huán)境是治療慢性糖尿病創(chuàng)面的關(guān)鍵。

針對上述問題，蘇州大學(xué)嚴(yán)鋒教授團(tuán)隊(duì)從緩解缺氧和抗感染兩方面出發(fā)，構(gòu)建了負(fù)載小球藻的聚離子液體微針(PILMN-Chl)，用于對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)感染的糖尿病慢性創(chuàng)面進(jìn)行微針釋氧和抗菌的治療。PILMN-Chl由于負(fù)載小球藻，光照下進(jìn)行了光合作用，可以穩(wěn)定持續(xù)產(chǎn)氧30h以上。通過結(jié)合微針的屏障穿透能力、小球藻持續(xù)充足的供氧能力和PIL的殺菌活性，PILMN-Chl可以通過局部靶向殺菌和傷口深處的乏氧緩解，來加速體內(nèi)慢性糖尿病傷口的生長。因此，自身氧氣產(chǎn)生的微針可能為治療慢性、缺氧和感染的糖尿病創(chuàng)面提供一種有前途的、簡便的治療策略。

圖1.小球藻負(fù)載PIL基微針(PILMN-Ch1)的合成示意圖。PILMN-Chl可通過光合作用持續(xù)向創(chuàng)面提供充足的氧氣，并通過PIL發(fā)揮殺菌作用，促進(jìn)創(chuàng)面愈合。

圖1展示了PILMN-Chl的合成和應(yīng)用。在紫外光照射下，單體與小球藻進(jìn)行光交聯(lián)，制得PILMN-Chl。微針上裝有光合作用的小球藻，能夠通過光合作用持續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)生氧氣。這種創(chuàng)新的方法促進(jìn)了產(chǎn)生的氧氣直接輸送到傷口，有效地解決了經(jīng)皮氧氣輸送的挑戰(zhàn)。由此產(chǎn)生的PILMN-Chl不斷產(chǎn)生氧氣并將氧氣輸送到傷口部位，并通過與膜損傷相關(guān)的殺菌機(jī)制殺滅細(xì)菌，從而緩解慢性糖尿病傷口的缺氧和促進(jìn)傷口愈合。

圖2. a)觀察逐漸放大的PILMN-Chl。b)PILMN-Chl的掃描電子顯微鏡圖像和c)用EDS表征的PILMN-Chl中相應(yīng)的元素圖。d)PILMN-Chl的溶脹率。e)PILMN和PILMN-Chl在30℃時(shí)的失水率。f)PILMN和PILMN-Chl在不同頻率掃描下37℃時(shí)的儲能模量和損耗模量。g)PILMN-Chl的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。在50%壓縮應(yīng)變下出現(xiàn)的壓縮曲線。h)PILMN和PILMN-Chl的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。i)記錄了PILMN和PILMN-Chl在穿透六層封口膜過程中的力-位移曲線。j)陽離子桃紅FG標(biāo)記的PILMN的圖像和插入染色針尖后留在皮膚內(nèi)的相應(yīng)針孔。k)活體小鼠皮膚表面的PILMN-Chl圖像。去除PILMN-Chl后，皮膚內(nèi)的壓痕在10分鐘內(nèi)迅速恢復(fù)。

研究者對微針進(jìn)行了測試與表征，首先對微針的物理性能進(jìn)行了表征，證明了微針的力學(xué)性能的滿足要求，特別是透皮方面的性能(圖2)。接下來是釋氧及抗菌性能的探究。在產(chǎn)氧方面，通過紫外及熒光等測試證明了小球藻在微針上的存活及產(chǎn)氧性能(圖3)。圖四是通過涂板法、活死染色及SEM，從多方面證明了PILMN-Chl的抗菌性能，并且對其破壞細(xì)菌細(xì)胞膜的機(jī)理進(jìn)行了研究，表明該微針具有光譜的殺菌性。

圖3. a)不同濃度的小球藻懸濁液的UV-Vis光譜。b)對應(yīng)的不同吸光度和濃度下的小球藻懸濁液的標(biāo)準(zhǔn)曲線。c)不同濃度的小球藻在光照(5500 lux)下產(chǎn)生的溶解氧。d)不同時(shí)間(0h、6h、12h、24h)提取的PILMN-Chl中葉綠素的OD值和e)UV-Vis光譜。f)PILMN-Chl在光的照射下在PBS中產(chǎn)生的溶解氧。g)氧探針[Ru(dpp)₃]Cl₂在不同處理后的MRSA菌液中的熒光光譜。以PBS處理的細(xì)菌作為對照組。h)用[Ru(dpp)₃]Cl₂染色的MRSA細(xì)菌經(jīng)不同處理后的熒光圖像。

圖4. a) MRSA, b) S. aureus and c) E. coli經(jīng)不同處理后的相對細(xì)菌存活率。b)與PILMN或PILMN-Chl共培養(yǎng)4h后，MRSA的熒光染色和掃描電子顯微鏡圖像。e)通過DPH的熒光光譜來分析MRSA細(xì)胞膜的流動性。f)通過CFDA-SE的熒光光譜來分析不同處理后MRSA的細(xì)胞膜滲透性。g)PILMN和PILMN-Chl處理的MRSA的Zeta電位。

生物材料的生物相容性是影響其在體內(nèi)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。因此，研究者們通過溶血和細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)評價(jià)了PILMN和PILMN-Chl的生物相容性。同時(shí)，由于氧氣的產(chǎn)生可以促進(jìn)細(xì)胞的增殖和遷移，并且小球藻可以產(chǎn)生抗炎的物質(zhì)?；谶@些優(yōu)異的體外測試數(shù)據(jù)，如體外抗菌活性、產(chǎn)氧活性、良好的生物相容性、使用方便和無痛特性，研究者進(jìn)一步評價(jià)其對體內(nèi)MRSA感染的糖尿病創(chuàng)面的治療效果，并進(jìn)行了切片染色，進(jìn)一步研究分析其在糖尿病傷口處的應(yīng)用潛力。

圖5. a)PILMN和PILMN-Chl與紅細(xì)胞孵育4h后的紅細(xì)胞溶血活性，分別以PBS或Triton X-100處理的紅細(xì)胞為陰性對照和陽性對照。b)PILMN和PILMN-Chl處理的L929細(xì)胞24h后的細(xì)胞存活率，并以PBS處理的L929細(xì)胞為對照組。c)不同處理的L929細(xì)胞24h增殖圖像。d)L929細(xì)胞遷移的圖像。PILMN和PILMN-Chl對LPS誘導(dǎo)的RAW 264.7細(xì)胞炎癥反應(yīng)的影響。用酶聯(lián)免疫試劑盒檢測促炎細(xì)胞因子IL-6和IL-1β的釋放。

圖6. a)活體研究流程圖。b)傷口閉合9天的圖像。c)相應(yīng)的傷口大小圖和d)傷口愈合過程中傷口面積的定量統(tǒng)計(jì)分析。e)對治療后第5天小鼠傷口組織中分離的細(xì)菌菌落進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。用試劑盒檢測IL-6和g)IL-1β的釋放。

該研究展示了一種雙管齊下治療糖尿病創(chuàng)面耐藥細(xì)菌感染、消除細(xì)菌和緩解缺氧的綜合療法。該微針給藥系統(tǒng)兼具抗菌和產(chǎn)氧功能，有望成為動物和人類慢性創(chuàng)面感染治療策略的候選材料，在相關(guān)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以“Chlorella-Loaded Antibacterial Microneedles for Microacupuncture Oxygen Therapy of Diabetic Bacterial Infected Wounds"為題發(fā)表于《Advanced Materials》上。文章的第一作者為蘇州大學(xué)碩士研究生高淑娜，通訊作者為郭江娜副教授和嚴(yán)鋒教授。