苏州大学严锋教授团队《Advanced Materials》:小球藻抗菌微针治疗糖尿病创面

发布日期:2024-05-20

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慢性创面是一种发病率很高的流行病,影响着超过1%的人们,已经成为医疗保健系统中的一大挑战。糖尿病创面是影响许多糖尿病患者的典型慢性创面,由于其愈合困难和复发率高。虽然已经开发了涉及生化(如生长因子)和生物物理(如负压疗法和高压氧疗法)的糖尿病伤口治疗的新疗法,但慢性创面的治疗效果仍然不令人满意。此外,细菌感染在慢性糖尿病创面中普遍存在,这会加剧伤口的缺氧和营养缺乏。更重要的是,糖尿病创面的高糖微环境会进一步增加微生物感染的可能性,并导致血管生成受损和巨噬细胞功能障碍,进一步延缓伤口的愈合过程。因此,有效清除微生物和调节创面微环境是治疗慢性糖尿病创面的关键。

 

针对上述问题,苏州大学严锋教授团队从缓解缺氧和抗感染两方面出发,构建了负载小球藻的聚离子液体微针(PILMN-Chl),用于对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)感染的糖尿病慢性创面进行微针释氧和抗菌的治疗。PILMN-Chl由于负载小球藻,光照下进行了光合作用,可以稳定持续产氧30h以上。通过结合微针的屏障穿透能力、小球藻持续充足的供氧能力和PIL的杀菌活性,PILMN-Chl可以通过局部靶向杀菌和伤口深处的乏氧缓解,来加速体内慢性糖尿病伤口的生长。因此,自身氧气产生的微针可能为治疗慢性、缺氧和感染的糖尿病创面提供一种有前途的、简便的治疗策略。

 

 

图1.小球藻负载PIL基微针(PILMN-Ch1)的合成示意图。PILMN-Chl可通过光合作用持续向创面提供充足的氧气,并通过PIL发挥杀菌作用,促进创面愈合。

 

图1展示了PILMN-Chl的合成和应用。在紫外光照射下,单体与小球藻进行光交联,制得PILMN-Chl。微针上装有光合作用的小球藻,能够通过光合作用持续稳定地产生氧气。这种创新的方法促进了产生的氧气直接输送到伤口,有效地解决了经皮氧气输送的挑战。由此产生的PILMN-Chl不断产生氧气并将氧气输送到伤口部位,并通过与膜损伤相关的杀菌机制杀灭细菌,从而缓解慢性糖尿病伤口的缺氧和促进伤口愈合。

 

图2. a)观察逐渐放大的PILMN-Chl。b)PILMN-Chl的扫描电子显微镜图像和c)用EDS表征的PILMN-Chl中相应的元素图。d)PILMN-Chl的溶胀率。e)PILMN和PILMN-Chl在30℃时的失水率。f)PILMN和PILMN-Chl在不同频率扫描下37℃时的储能模量和损耗模量。g)PILMN-Chl的压缩应力应变曲线。在50%压缩应变下出现的压缩曲线。h)PILMN和PILMN-Chl的拉伸应力-应变曲线。i)记录了PILMN和PILMN-Chl在穿透六层封口膜过程中的力-位移曲线。j)阳离子桃红FG标记的PILMN的图像和插入染色针尖后留在皮肤内的相应针孔。k)活体小鼠皮肤表面的PILMN-Chl图像。去除PILMN-Chl后,皮肤内的压痕在10分钟内迅速恢复。

 

研究者对微针进行了测试与表征,首先对微针的物理性能进行了表征,证明了微针的力学性能的满足要求,特别是透皮方面的性能(图2)。接下来是释氧及抗菌性能的探究。在产氧方面,通过紫外及荧光等测试证明了小球藻在微针上的存活及产氧性能(图3)。图四是通过涂板法、活死染色及SEM,从多方面证明了PILMN-Chl的抗菌性能,并且对其破坏细菌细胞膜的机理进行了研究,表明该微针具有光谱的杀菌性。

 

 

图3. a)不同浓度的小球藻悬浊液的UV-Vis光谱。b)对应的不同吸光度和浓度下的小球藻悬浊液的标准曲线。c)不同浓度的小球藻在光照(5500 lux)下产生的溶解氧。d)不同时间(0h、6h、12h、24h)提取的PILMN-Chl中叶绿素的OD值和e)UV-Vis光谱。f)PILMN-Chl在光的照射下在PBS中产生的溶解氧。g)氧探针[Ru(dpp)3]Cl2在不同处理后的MRSA菌液中的荧光光谱。以PBS处理的细菌作为对照组。h)用[Ru(dpp)3]Cl2染色的MRSA细菌经不同处理后的荧光图像。

 

 

图4. a) MRSA, b) S. aureus and c) E. coli经不同处理后的相对细菌存活率。b)与PILMN或PILMN-Chl共培养4h后,MRSA的荧光染色和扫描电子显微镜图像。e)通过DPH的荧光光谱来分析MRSA细胞膜的流动性。f)通过CFDA-SE的荧光光谱来分析不同处理后MRSA的细胞膜渗透性。g)PILMN和PILMN-Chl处理的MRSA的Zeta电位。

 

生物材料的生物相容性是影响其在体内实际应用的关键因素。因此,研究者们通过溶血和细胞毒性实验评价了PILMN和PILMN-Chl的生物相容性。同时,由于氧气的产生可以促进细胞的增殖和迁移,并且小球藻可以产生抗炎的物质。基于这些优异的体外测试数据,如超强的体外抗菌活性、产氧活性、良好的生物相容性、使用方便和无痛特性,研究者进一步评价其对体内MRSA感染的糖尿病创面的治疗效果,并进行了切片染色,进一步研究分析其在糖尿病伤口处的应用潜力。

 

 

图5. a)PILMN和PILMN-Chl与红细胞孵育4h后的红细胞溶血活性,分别以PBS或Triton X-100处理的红细胞为阴性对照和阳性对照。b)PILMN和PILMN-Chl处理的L929细胞24h后的细胞存活率,并以PBS处理的L929细胞为对照组。c)不同处理的L929细胞24h增殖图像。d)L929细胞迁移的图像。PILMN和PILMN-Chl对LPS诱导的RAW 264.7细胞炎症反应的影响。用酶联免疫试剂盒检测促炎细胞因子IL-6和IL-1β的释放。

 

 

图6. a)活体研究流程图。b)伤口闭合9天的图像。c)相应的伤口大小图和d)伤口愈合过程中伤口面积的定量统计分析。e)对治疗后第5天小鼠伤口组织中分离的细菌菌落进行统计分析。用试剂盒检测IL-6和g)IL-1β的释放。

 

该研究展示了一种双管齐下治疗糖尿病创面耐药细菌感染、消除细菌和缓解缺氧的综合疗法。该微针给药系统兼具抗菌和产氧功能,有望成为动物和人类慢性创面感染治疗策略的候选材料,在相关生物医学领域具有广阔的应用前景。相关成果以“Chlorella-Loaded Antibacterial Microneedles for Microacupuncture Oxygen Therapy of Diabetic Bacterial Infected Wounds”为题发表于《Advanced Materials》上。文章的第一作者为苏州大学硕士研究生高淑娜,通讯作者为郭江娜副教授和严锋教授。

 

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307585

 

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