武汉大学药学院黎威教授课题组《APSB》：用于加速糖尿病伤口愈合的级联双层微针贴片
发布日期：2024-12-04
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如今，糖尿病作为一种常见的慢性疾病，在全球范围内给患者生活带来了沉重的负担。糖尿病足溃疡（DFU）作为糖尿病的一种严重并发症，令患者苦不堪言，并且是糖尿病患者面临截肢风险的重要因素。DFU 的广泛发生对糖尿病患者的家庭和整个医疗保健系统都造成了巨大的经济压力。皮肤伤口愈合是一个复杂而动态的过程，包括三个不同的阶段：炎症、增殖和重塑。然而，糖尿病伤口环境中的高血糖水平通常会阻碍伤口组织向关键的重塑阶段过渡，从而导致慢性甚至不愈合伤口的形成。此外，通常由细菌感染引起的伤口过度炎症也是导致组织再生受损的一个关键因素。
传统的治疗方法往往难以同时解决高血糖、细菌感染和炎症等关键问题，导致DFU的愈合过程缓慢且充满挑战。因此，降低葡萄糖浓度以及在创面床局部环境中输送抗菌和抗炎剂已成为治疗慢性糖尿病伤口的新型治疗方法。近日来自武汉大学的一项最新科研成果为糖尿病伤口治疗带来了全新的希望——一种创新的双层微针贴片。此微针贴片的核心在于其独特的双层设计，能够同时实现局部葡萄糖消耗和持续释放一氧化氮（NO）两大功能。高血糖是糖尿病伤口难以愈合的关键因素之一，而该贴片通过葡萄糖氧化酶（GOx）的作用，能够有效降低伤口局部的葡萄糖浓度，从而改善伤口微环境，为愈合创造有利条件。与此同时，贴片还能持续释放NO，这是一种具有强大抗菌和抗炎作用的分子。NO能够破坏细菌生物膜，杀灭致病菌，同时减轻炎症反应，进一步促进伤口愈合。这种时空响应性的双层微针贴片设计，使得治疗更加精准高效，能够在伤口处快速发挥作用，加速愈合进程。
这项研究成果以题为“Spatiotemporally responsive cascade bilayer microneedles integrating local glucose depletion and sustained nitric oxide release for accelerated diabetic wound healing”，在《Acta Pharmaceutica Sinica B》期刊发表。武汉大学药学院博士研究生曾勇年为第一作者，武汉大学中南医院黄建英主任和武汉大学药学院黎威教授为共同通讯作者。
这种G/AZ-MN 微针贴片由两部分组成：1) 由 MMP-9 可降解的甲基丙烯酸明胶（GelMA)包裹葡萄糖氧化酶 (GOx) 组成的尖端层；2)由可溶解透明质酸（HA）制成的基底层，封装有酸响应型负载L-精氨酸的ZIF纳米粒子（Arg@ZIF-8 NPs）（图1A）。其中，该微针贴片是利用摩方精密 microArch® S240 （精度：10 μm）3D打印设备加工模具后经PDMS翻模制备而成的。
图1. 双层微针用于创面愈合示意图
在伤口部位应用后，水溶性基底层迅速溶解，从而释放出Arg@ZIF-8 NPs，同时将可降解的负载GOx的尖端层植入伤口组织中。在糖尿病伤口中高度表达的MMP-9酶的催化下，MNs的GelMA顶端加速降解，GOx被释放到伤口组织中。GOx 酶随后催化葡萄糖氧化，产生H2O2并通过葡萄糖酸降低pH值。这种双重作用不仅降低了局部的葡萄糖水平，而且还启动了一个级联反应，引发了Arg@ZIF-8 NPs的降解，导致Zn2+和Arg的释放。释放的Zn2+有效地抑制了细菌生物膜的形成，而Arg与H2O2反应持续产生NO，从而通过抗菌和抗炎作用在促进伤口愈合方面发挥关键作用（图 1B）。实验结果显示，这种双层微针贴片在治疗糖尿病伤口方面展现出了显著的优势。在动物实验中，贴片能够显著加速伤口的愈合速度，减少炎症和感染的发生，同时降低血糖水平。此外，该贴片还具有良好的生物相容性和安全性，不会对机体产生不良影响。
图2. 双层微针的制备和表征
研究人员首先成功制备了形态良好的G/AZ-MN微针贴片，能够成功穿刺皮肤并实现给药。标记针尖的FITC荧光与RhB标记基座部分Arg@ZIF-8 NPs显著的荧光差异证明了微针的双层结构。此外，针尖的GelMA能够有效响应MMP-9促进GOx的释放，GOx启动葡萄糖的消耗反应有效产生 H2O2并通过产生葡萄糖酸降低pH值引发基座部分ZIF-8纳米粒子的降解（图2）。
图3. 纳米粒子以及微针的抗菌性能表征
接着，研究人员验证了ZIF-8纳米粒子降解产生的Zn2+与一氧化氮的抑菌效果，此微针贴片良好的酸响应性抗菌对S.aureus为代表的革兰氏阳性菌和以E.coli为代表的革兰氏阴性菌具有普遍杀伤作用，能够抑制生物膜的形成和破坏形成的生物膜（图3）。
图4. 微针用于感染性糖尿病创面愈合的研究
然后，通过构建糖尿病大鼠伤口感染模型验证了此微针贴片的治疗效果，伤口处的H&E染色、TNF-α的免疫组化染色、平板涂布结果验证了贴片能够显著加速伤口的愈合速度，减少炎症和感染（图4）。
总结：本项工作中研发了一种双层 MN 贴片 （G/AZ-MNs），它具有直接穿透形成的生物膜的能力，从而提高了药物递送效率。该贴片还能适应糖尿病伤口的微环境，并持续释放多功能 NO，从而通过其降血糖、抗菌和抗炎作用促进慢性伤口愈合过程。封装 GOx 的 MN 尖端层被证明在通过葡萄糖耗竭减轻局部高血糖方面非常有效。此外，MN基座中存在的 NPs 表现出酸响应降解行为，释放 Zn2+ 以引发抗菌作用。同时，从降解的 NPs 中释放的 Arg 在 H2O2 存在下转化为 NO，随后引起抗菌作用并诱导巨噬细胞极化以抗炎。此外，研究人员发现 G/AZ-MNs 持续释放 NO 可以上调 （血管内皮生长因子）VEGF 的表达，从而促进伤口新生血管形成。这种双层微针贴片不仅对糖尿病伤口有效，而且对生物膜形成的糖尿病伤口也有效，在这两种情况下都显示出令人满意的治疗效果。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apsb.2024.06.014
