微量元素编程外泌体与自适应双网络水凝胶通过补体-线粒体-自噬回路协调糖尿病足再生

《Military Medical Research》：Trace element-dictated exosome modules and self-adaptive dual-network hydrogel orchestrate diabetic foot regeneration through complement-mitochondria-autophagy circuitry

本研究针对糖尿病足溃疡(DFU)炎症-缺血恶性循环的临床难题，创新性地提出整合微量元素(TE)编程与智能递送的协同策略。研究人员通过构建Fe-Mg-Zn-Mn-Se多元TE三维动态培养系统获得高活性工程化外泌体(3D-TE-Exo)，并开发具有动态希夫碱和紫外触发二硫键重组双网络水凝胶实现精准缓释。结果表明：3D-TE-Exo产量提升29倍，通过调控补体1q结合蛋白(C1QBP)介导的补体通路，恢复线粒体膜电位(ΔΨm)，增强ATP生成并激活自噬，显著改善氧化应激；水凝胶实现89.71%的创面愈合率。该研究为慢性伤口治疗提供了具有强转化潜力的多靶点干预策略。

　　

糖尿病足溃疡(DFU)作为糖尿病最严重的并发症之一，全球约30%的糖尿病患者深受其害，每30秒就有一例因DFU导致的截肢病例。这种慢性伤口陷入炎症与缺血的恶性循环：营养缺失、巨噬细胞功能瘫痪、血管荒漠化，传统治疗手段如清创、减压、抗生素等效果有限，超过40%的溃疡在一年内复发。干细胞疗法虽具潜力，却面临存活率低和适应性差的困境。

为突破这些局限，Wang等人在《Military Medical Research》发表的研究中，开发了一种整合微量元素编程与外泌体(Exo)工程化技术的智能治疗体系。该研究通过多元微量元素(Fe、Mg、Zn、Mn、Se)协同调控间充质干细胞(MSCs)功能，利用三维(3D)动态培养系统获得高活性工程化外泌体(3D-TE-Exo)，并构建紫外(UV)触发二硫键重组的双网络水凝胶实现外泌体的精准缓释，最终通过调控补体-线粒体-自噬回路显著加速DFU愈合。

研究采用的主要技术方法包括：从人脐带间充质干细胞(hUC-MSCs)中分离培养并鉴定MSCs；通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析外泌体微量元素组成；透射电镜(TEM)和纳米颗粒跟踪分析(NTA)表征外泌体特性；构建氧化透明质酸(OHA)和硫辛酸接枝壳聚糖(LACS)的双网络水凝胶；采用糖尿病大鼠DFU模型进行体内疗效评价；通过蛋白质组学和转录组学分析关键作用靶点。

3D-TE-Exo的提取与鉴定

研究人员首先在3D动态培养系统中加入五种微量元素(Fe、Mg、Zn、Mn、Se)，显著提升了MSCs的增殖活性和外泌体产量。3D-TE-Exo的产量达到1.9×10¹² particles/ml，比常规培养的3D-Exo(6.5×10¹⁰ particles/ml)提高29倍。ICP-MS分析证实3D-TE-Exo中五种微量元素含量显著富集。形态学表征显示3D-TE-Exo具有典型的杯状结构和30-150 nm的粒径分布，高表达TSG101、CD63和CD9等外泌体标志蛋白。

水凝胶的构建与表征

研究团队开发了由OHA和LACS通过动态希夫碱键和UV触发二硫键重组构成的双网络水凝胶(OHA-LACS-UV)。该水凝胶具有以下特性：凝胶时间从89.17秒缩短至11.83秒；扫描电镜显示UV交联后孔径减小至52.94±8.27μm，结构更致密；流变学测试表明储存模量(G′)显著提升，具有优异的自愈合性能和剪切稀化特性；在活性氧(ROS)和高葡萄糖(Glu)环境下呈现响应性降解行为，在H₂O₂+Glu条件下6天累积释放率达88.10%。

细胞行为与功能研究

3D-TE-Exo展现出卓越的生物活性：促进人脐静脉内皮细胞(HUVECs)和人永生化角质形成细胞(HaCaT)增殖、迁移和血管形成；恢复线粒体膜电位，增强ATP生成；激活自噬流，降低p62表达，提升LC3-I/II转化率；显著降低ROS、MDA水平和促炎因子(TNF-α、IL-1β、IL-6)，增加抗炎因子IL-10和抗氧化酶(SOD、GSH)活性。

机制探讨与靶点验证

蛋白质组学分析揭示补体通路关键蛋白C1QBP在3D-TE-Exo中显著富集。通过siRNA沉默C1qbp基因验证了其功能：C1QBP敲减后，3D-TE-Exo促进细胞增殖、迁移和恢复线粒体膜电位的能力显著减弱，证实C1QBP是介导3D-TE-Exo治疗效应的关键分子。

体内治疗效果评价

在DFU大鼠模型中，OLUE(负载3D-TE-Exo的OHA-LACS-UV水凝胶)治疗组14天伤口愈合率达89.71%，显著高于模型组(50.64%)。组织学分析显示OLUE组上皮再生完整，胶原沉积丰富，血管生成显著。免疫荧光检测证实OLUE促进M2型巨噬细胞极化，增加CD31和VEGF表达，降低炎症细胞浸润。

微环境调控作用

OLUE有效改善DFU病理微环境：降低组织中TNF-α、IL-1β、IL-6水平，提升IL-10和Arg-1表达；增加SOD、GSH、TGF-β活性，降低MDA含量；清除过量ROS，缓解氧化应激；促进T细胞浸润和树突状细胞调节，诱导巨噬细胞向M2表型极化。

该研究通过多元微量元素编程策略成功构建了高活性工程化外泌体，并开发了微环境响应型智能水凝胶递送系统，实现了外泌体的精准控释和协同治疗。3D-TE-Exo通过C1QBP介导的补体-线粒体-自噬回路调控，有效缓解氧化应激、恢复线粒体功能、调节免疫微环境；双网络水凝胶提供机械支撑、持续释药和创面保护功能。这种"工程化外泌体-智能材料"整合策略突破了传统DFU治疗的局限，为慢性伤口治疗提供了多靶点干预方案，具有重要的临床转化价值。