慢性创面通常被缺氧组织覆盖，并且伴有坏死、持续性炎症和厌氧菌感染。由于大气中的氧气只能穿透约0.33mm的组织，同时由于血管的破坏，血液中的氧气很难输送至慢性创面，因此迫切需要一种局部透气，并可以递送氧气的创面敷料。因此，来自首都医科大学的张忠涛、姚宏伟教授和南京大学的程宇豪教授团队合作，通过添加冻干氧包裹的纳米颗粒来改造传统的凝胶创面敷料，使其可以将溶解氧输送至局部伤口表面，从而改善慢性伤口的局部缺氧环境（图1a）。
作为一种安全的携氧材料，全氟萘烷在临床上被用于玻璃体手术和人工血液，输送氧气的能力已被广泛研究与证明。首先研究者通过超声乳化和高压均质的方法制备了全氟萘烷包覆的人血清白蛋白纳米颗粒（FDC
HSA），然后在保护剂的作用下冻干成纳米氧化（NOX）粉末，并将其与透明质酸混合，进一步形成NOX凝胶（NOX-gel），并应用于伤口（图1a）。NOX粉末在透明质酸凝胶中溶解分散良好，呈现乳白色（图1b），在SEM中观察到了NOX-gel中纳米颗粒的存在（图1c）。通过动态光散射仪（DLS）测量NOX-gel的平均流体动力学直径约为.3nm（图1d），此外，凝胶中的氧含量在冻干前后没有较大差异。这些表征证实了NOX-gel的成功制备。CoCl2是一种广泛使用的缺氧模拟剂，可阻断缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）蛋白的降解，促进这一介导细胞对缺氧反应关键调节器的不断积累。因此研究者测定了不同浓度CoCl2培养的人皮肤成纤维细胞（HSF）的相对存活率（图2a），并选择μΜ培养24h以模拟细胞缺氧环境。PCR和WB结果显示，常氧条件下的细胞显示出最低的HIF-1α表达，缺氧细胞显示出最高的表达，而NOX-gel处理的缺氧细胞显示出中间的表达（图2b，c），表明CoCl2（μΜ，24h）处理成功模拟了细胞缺氧环境，并且NOX-gel可有效下调HIF-1α，保护缺氧细胞。通过对HSF相对细胞活力的评估，表明NOX-gel可明显促进肉芽组织生成，进一步扭转了缺氧对细胞增殖的影响（图2d）。血管再生是恢复创面持续供养的关键，因此研究者利用人脐静脉内皮细胞（HUVEC）进行成管实验，结果表明NOX-gel显著提高了缺氧环境中血管分支点的形成（图2e，g）。随后的划痕实验结果证实NOX-gel可以在缺氧环境下支持人类永生化角质（HaCaT）细胞的迁移和增殖（图2f，h）。
随后，研究者在无糖尿病小鼠的急性创面模型和糖尿病小鼠的慢性创面模型中，探究了NOX-gel是否能在体内促进细胞增殖和血管生成，从而进一步促进创面的愈合。结果显示，在两种体内模型中，NOX-gel均可以通过氧气的输送缓解局部的缺氧环境，加速伤口愈合。此外，HE和Masson染色的结果表明，使用NOX-gel处理的创面肉芽组织厚度显著高于其他组，且产生的再上皮化与胶原蛋白均多余其他敷料处理的创面（图3）。
为了探究NOX-gel促进创面愈合的效果是否与其将氧气输送到伤口组织、缓解低氧环境有关，研究者进一步利用HIF-1α抗体进行免疫组化（IHC）分析。NOX-gel处理的糖尿病小鼠（DM+NOX-gel）创面局部在第6天和第12天的HIF-1α阳性细胞密度明显降低，进一步证明了NOX-gel处理可以成功并持续地缓解糖尿病创面的缺氧环境（图4a，b）。此外，研究者通过CD31和CD68染色分别探究了NOX-gel的促血管生成能力和抑制炎症组作用，结果证实，NOX-gel可有效改善局部缺氧环境，缓解炎症反应（图4e，f），促进糖尿病创面的新生血管生成（4c，d）。
严重的慢性创面通常需要皮瓣移植，但缺氧会导致皮瓣的血液供应不能及时建立，从而导致坏死。研究者建立了糖尿病小鼠皮瓣移植模型，采用多普勒超声血流仪检测皮瓣的成活率及血流情况，血流强度按照蓝、绿、红依次递增。随着时间的推移，DM组和凝胶组皮瓣血供逐渐减少，而DM+NOX-gel组皮瓣血供逐渐恢复，呈现健康的红色（图5a）。治疗6天后，DM+NOX-gel组的平均坏死率（4.21%±2.39%）明显低于对照组（27.87%±4.15%）、DM组（76.43%±7.54%）和单纯凝胶组（74.62%±4.62%）（图5b），且切口闭合长度增长最快（图5c）。HE和Masson染色结果显示，NOX-gel处理的皮瓣肉芽组织厚度明显高于其它各组，且产生更多的胶原蛋白（图5d-g）。TdT介导的dUTP末端标记（TUNEL）和Caspase-3染色以监测皮瓣组织的凋亡情况，显示DM组细胞凋亡最多，而NOX-gel组有效地逆转了细胞凋亡（图6a-c）。此外，DM+NOX-gel组的HIF-1α表达明显降低（图6a，d），表明该凝胶可以持续向皮瓣输送氧气，改善缺氧状况；同时，VEGF表达明显高于其他组（图6a，e），有效促进血管生成。这些结果表明，NOX-gel可以改善缺氧环境，促进新生血管形成，共同提高了糖尿病患者的皮瓣的存活率。
综上所述，研究者开发了一种基于透明质酸的复合NOX凝胶，该凝胶可以有效缓解急性和慢性创面的局部缺氧环境，降低炎症反应，促进创面新生血管的形成，进而加快创面的愈合和保证皮瓣存活。基于NOX的生物安全性、稳定性及优越的疗效，研究者提出的该项技术可应用在不限于创面愈合的多种生物医学和临床应用，如移植组织和器官的保存等。
本研究由首都医科大学的张忠涛、姚宏伟教授以及南京大学的程宇豪教授团队合作完成，于年1月28日在线发表于Biomaterials。
论文信息：ZhengyangYanga,1,HuanhuanChenc,1,PeizhengYangb,1,XiaofeiShend,1,YiqiaoHub,YuhaoChengb,e,***,HongweiYaoa,**,ZhongtaoZhanga,*.Nano-oxygenatedhydrogelsforlocallyandpermeablyhypoxiarelievingtohealchronicwounds.Biomaterials，:.预览时标签不可点收录于合集#个上一篇下一篇