《Health Science Reports》：Exosome-Enhanced Injectable Hydrogels: A Comprehensive Review on Their Emerging Role in Wound Healing
摘要
随着慢性伤口患病率的不断攀升，迫切需要超越当前干预措施的先进治疗策略。水凝胶敷料，特别是可注射水凝胶，因其吸水能力、结构弹性和易于应用等特性而提供了有前景的解决方案。将外泌体与可注射水凝胶相结合，通过再上皮化和组织再生等机制增强伤口愈合。本综述旨在探讨负载外泌体的可注射水凝胶在创面愈合微环境中的协同效应，强调其作为皮肤再生无细胞治疗方法的潜力。
1 引言
皮肤系统是机体抵御外界侵害的首要屏障。伤口——导致组织破损的损伤——由多种病因引起，包括创伤、烧伤以及糖尿病、静脉淤滞和压疮等慢性疾病。当前的治疗方式，包括皮肤替代物，在完全恢复天然皮肤结构和功能方面效果有限，凸显了对更有效治疗策略的迫切需求。
可注射水凝胶因其能够吸收水分同时保持三维网络结构，创造有利于愈合的湿润环境，已成为有前途的伤口护理材料。其与细胞外基质（ECM）的结构相似性使得能够控制生物活性剂的释放。值得注意的是，可注射水凝胶经历原位凝胶化，无需侵入性操作即可适应不规则的伤口几何形状。
外泌体——由各种细胞类型分泌的膜性细胞外囊泡（直径30–200 nm）——含有介导细胞间通讯的蛋白质、脂质和核酸。它们的治疗潜力涵盖药物递送、基因治疗和组织再生。间充质干细胞来源的外泌体（MSC-Exos）在促进再上皮化、血管化和组织再生同时调节炎症方面显示出特殊前景。
本综述探讨了外泌体与可注射水凝胶的协同组合，该组合保护外泌体免于快速清除，提供结构支架，并确保持续的局部治疗递送——从而优化其用于慢性伤口愈合应用的再生潜力。
2 可注射水凝胶：特性与要求
用于临床伤口愈合的可注射水凝胶必须满足多个严格标准：
2.1 生物相容性与无毒性
水凝胶必须支持细胞生长和分化，同时最大限度地减少毒性和免疫反应。由于其与天然ECM组分的结构相似性，天然聚合物通常表现出优于合成替代品的生物相容性。
2.2 孔隙率
最佳的水凝胶结构具有可定制的孔径（微米至纳米级）的互连多孔网络，有利于药物释放和细胞生长所需的营养运输。
2.3 机械性能
水凝胶必须表现出与天然组织相似的机械强度和刚度，以承受生理机械应力，同时在动态伤口环境中保持结构完整性。
2.4 血管化潜力
水凝胶必须维持其基质内的细胞发育和营养摄取。含有天然多糖的水凝胶表现出增强的血管生成潜力，使其特别适用于组织工程应用。
2.5 生物可降解性
水凝胶应以与组织再生同步的速率降解成天然、无毒的副产物，防止积累同时通过动态基质演化促进无障碍的细胞生长。
2.6 凝胶化动力学与粘度
凝胶化过程必须符合特定组织要求。凝胶化前的粘度必须允许治疗剂均匀分布，而注射后的凝胶化应在保存细胞活力的温和条件下发生。低粘度使得能够通过注射进行微创给药。
2.7 稳定性与韧性
水凝胶基质必须保留封装的药物和细胞，同时提供促进细胞粘附、迁移、增殖和分化的稳定环境。
3 外泌体的生物发生与表征
细胞外囊泡（EVs）包括三类：凋亡小体（50–5000 nm）、微泡（20–1000 nm）和外泌体（50–120 nm）。外泌体代表最均质的亚群，起源于内体途径中的多泡体（MVBs）。
3.1 生物发生
外泌体形成始于早期内体（ESEs），通过网格蛋白介导或非网格蛋白介导的内吞作用。ESEs发展出管状和空泡状结构；空泡组分在RAB5招募RAB7后成熟为晚期内体（LSEs）。向内膜出芽在MVBs内产生腔内囊泡（ILVs）——外泌体的直接前体。内体分选复合物（ESCRT）系统通过泛素化依赖和独立途径调控MVB和ILV的形成。MVBs要么与溶酶体融合降解，要么与质膜融合将外泌体释放到细胞外。
3.2 分子组成
外泌体显示特征性表面蛋白，包括四跨膜蛋白（CD9, CD63, CD81）、热休克蛋白70（Hsc70）、Lamp2b、Tsg101和融合分子（flotillin, annexin）。其脂质组成具有高胆固醇和二酰基甘油水平。关键的是，外泌体运输遗传物质（特别是microRNAs）、细胞内蛋白和细胞受体，这些物质调节受体细胞中的细胞内mRNA功能。
4 外泌体的治疗应用
外泌体，特别是MSC来源的，由于其广泛的蛋白质和RNA货物，在多种病理条件下显示出治疗功效。
4.1 神经损伤
MSC-Exos通过静脉或鼻内途径穿越血脑屏障，为脑损伤和中风提供治疗潜力。它们减轻损伤后炎症，增强神经发生和血管生成，并促进小胶质细胞M1向M2极化。
4.2 心血管疾病
外泌体调节纤维化、血管生成、血压，并发挥对心肌保护至关重要的抗凋亡作用。MSC-Exos通过下调分子标记物和通过递送miR-146a抑制炎症来改善心脏功能。
4.3 骨修复
外泌体通过microRNA介导的机制促进骨愈合。MSC-Exos和脂肪来源的干细胞外泌体（ADSC-Exos）通过Wnt通路调节刺激成骨细胞分化。
4.4 伤口愈合
MSC分泌组，特别是含有生长因子和microRNAs的外泌体，代表了用于慢性伤口和肥厚性瘢痕的极具前景的疗法。MSC-Exos靶向PI3K/AKT、ERK和STAT-3信号通路，通过下游介质加速愈合。它们诱导巨噬细胞M2极化并减少细胞因子释放，减轻糖尿病伤口特征性的慢性炎症。
5 工程化细胞外囊泡的最新进展
最近的发展优化了EV工程、货物装载效率和靶向递送策略，用于再生医学、基因治疗和药物递送应用。
5.1 蛋白质和核酸递送
电穿孔能够将治疗性蛋白质掺入外泌体，例如用于肌腱再生的重组Yap1递送和用于增强治疗结果的P53装载。
5.2 药物递送与靶向治疗
EVs增强小分子药物的生物利用度，延长循环时间，并减少全身毒性。负载贝伐珠单抗的外泌体延长了糖尿病视网膜病变的治疗效果。
5.3 脑部和全身药物递送
外泌体天然地穿过血脑屏障，使得神经药物递送成为可能。负载BDNF的外泌体的鼻内给药证明了成功渗透到脑部用于缺血性中风治疗。
6 整合策略：将外泌体纳入水凝胶基质
将外泌体与可注射水凝胶结合解决了外泌体快速清除和体内寿命有限的问题，同时最大化伤口部位的治疗浓度。三种主要方法实现外泌体-水凝胶整合：同步原位混合、预交联剂添加和凝胶化后物理相互作用。
7 具体整合策略
7.1 物理整合
物理封装利用非共价吸附相互作用，水凝胶结构属性（孔隙率、溶胀能力）促进外泌体吸收同时保持功能完整性。
7.2 化学方法
共价交联通过反应性交联剂建立稳定的键。EDC/NHS化学激活羧基形成与外来体氨基的酰胺键。
7.3 自组装肽网络
短肽序列自发形成纳米纤维网络，创建三维水凝胶基质。特异性识别基序通过共价或非共价机制实现EV相互作用。
7.4 表面功能化
将官能团（抗体、亲和配体）引入水凝胶表面增强了特异性外泌体结合亲和力，提高了装载效率，并能够选择性封装目标外泌体亚型。
8 控释机制
外泌体从水凝胶中的释放通常表现出双相动力学：初始表面结合外泌体的快速释放，随后是由内部扩散和基质降解控制的较慢稳定释放。
8.1 被动扩散
具有互穿聚合物网络的可生物降解水凝胶通过溶胀或水解降解实现释放。交联密度调节和交联组分的分子量变化控制释放速率，使得持续时间从几天到近1个月不等。
8.2 环境响应性释放
刺激响应性水凝胶实现精确的时空外泌体释放：
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温度响应性： 合成聚合物（PEG, PNIPAM）和泊洛沙姆表现出热敏溶胶-凝胶转变，根据温度控制释放从1天到1个月。
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光热响应性： 金属纳米颗粒或石墨烯复合材料将近红外光转化为热量，触发局部外泌体释放。
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pH响应性： 聚合物（聚丙烯酸, 聚组氨酸）在特定pH条件下经历溶胀、收缩或溶解。
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H2O2响应性： 硫醇化聚合物或氧化敏感材料利用炎症/肿瘤环境中升高的过氧化氢水平，实现持续释放超过4周。
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葡萄糖响应性： 葡萄糖氧化酶或氧化还原敏感聚合物响应升高的葡萄糖水平触发水凝胶降解和外泌体释放。
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酶响应性： 酶敏感交联剂或可降解聚合物响应疾病状态下过表达的酶。
9 临床前研究：用于伤口愈合的负载外泌体的可注射水凝胶
最近的调查证明了负载外泌体的水凝胶在各种伤口模型中的显著治疗功效。
9.1 ADSC-Exos在糖尿病伤口中的应用
Song等人开发了来自脱细胞猪心脏组织的可注射水凝胶，负载ADSC-Exos。该制剂在生理温度下发生溶胶-凝胶转变，表现出持续释放动力学、生物相容性和生物可降解性。临床前评估显示炎症减轻、强大的血管生成促进、增强的胶原沉积和增加的细胞增殖与迁移——显著加速了糖尿病伤口愈合轨迹。
9.2 M2巨噬细胞来源的外泌体
Xiong等人配制了含有M2-Exos、FGF-2生长因子和MnO2纳米酶的可注射、自愈合、粘附性透明质酸水凝胶。局部注射形成保护性屏障，促进止血和持续的抗菌保护。MnO2纳米酶将伤口中过量的H2O2催化为O2，减轻氧化损伤同时提供补充氧气。氧气、M2-Exos和FGF-2的协调释放有效刺激血管生成和上皮形成，加速糖尿病伤口愈合。
9.3 中性粒细胞来源的外泌体
Yu等人开发了来自脱细胞猪心脏组织的水凝胶，负载有VEGF包裹的LPS激活的中性粒细胞外泌体模拟物。创新的挤出过程显著提高了模拟物的产量。ECM组分赋予热敏特性并调节免疫微环境，调节炎症同时促进组织再生。综合评估显示了强大的抗菌活性、抗炎效果和增强的血管生成潜力，最终加速了慢性糖尿病伤口再生。
10 机制洞察：外泌体在伤口愈合各阶段的功能
外泌体通过独特的分子机制在伤口愈合的所有阶段发挥有益作用。
10.1 炎症阶段
MSC-Exos在多个水平调节炎症过程——阻止中性粒细胞浸润，下调促炎细胞因子同时上调抗炎因子，并诱导M1向M2巨噬细胞转变。这些转变激活成纤维细胞、角质形成细胞和内皮细胞，促进再上皮化和血管生成。
10.2 再上皮化阶段
外泌体有效刺激成纤维细胞和角质形成细胞活性，增强肉芽组织形成，为细胞迁移/增殖提供支架并促进新血管形成。ADSC-Exos通过激活AKT/HIF-1α和Wnt/β-catenin通路增强角质形成细胞活性。
10.3 血管化阶段
外泌体促进血管生成——对于组织修复过程中的氧气、血液循环和代谢过程供应至关重要。损伤后的缺氧环境触发FGF-2和VEGF释放，刺激内皮细胞生长和血管化。
10.4 重塑阶段
外泌体通过调节ECM组成减轻瘢痕形成。ADSCs-Exos通过促进III型胶原向I型胶原的平衡来重建ECM，通过调节成纤维细胞分化来抑制瘢痕发展。
11 挑战与未来展望
虽然负载外泌体的可注射水凝胶显示出显著的伤口愈合功效，但几个基本挑战需要系统解决。
11.1 外泌体相关挑战
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内容物表征： 对封装的mRNA、miRNA、蛋白质和脂质的精确阐明仍不完整。
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免疫原性： 来自非自体来源的外泌体可能引发免疫反应。
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标准化与可扩展性： 当前的分离和纯化方法仍然劳动密集型且成本高昂。
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保存与稳定性： 外泌体表现出短半衰期，可能需要重复给药。
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质量控制： 确保批次间外泌体组成和功能的一致性提出了重大挑战。
11.2 水凝胶相关挑战
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机械强度： 增强水凝胶机械性能，特别是物理水凝胶，对于确保生物医学应用中的稳健性至关重要。
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生物相容性评估： 根据既定标准进行严格的细胞毒性和生物相容性评估对于减轻不良细胞效应至关重要。
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降解动力学： 当用作生物支架或伤口敷料时，降解速率必须与组织再生速率一致以实现最佳修复。
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宿主整合： 阐明水凝胶支架与宿主组织整合的机制并增强界面稳定性确保持久疗效。
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控释优化： 实现持续、可控的药物释放曲线需要进一步探索以达到治疗功效和患者依从性。
11.3 未来方向
未来研究应优先考虑：
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开发标准化、成本效益高的外泌体分离和表征方案。
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探索解决伤口管理挑战的复合和混合材料。
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优化用于靶向治疗的刺激响应性水凝胶配方。
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研究增强治疗功效的新型生物材料组合。
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进行严格的临床前和临床评估以确定安全性和有效性。
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解决临床转化中的监管和标准化要求。
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探索伤口愈合之外在更广泛的再生医学背景下的应用。
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开发针对个体患者需求的个性化外泌体疗法。
12 结论
负载外泌体的可注射水凝胶代表了一个变革性的治疗平台，协同结合了外泌体的再生能力与水凝胶的多功能性。外泌体作为生物活性载体，介导细胞信号传导、免疫调节和组织修复，而可注射水凝胶提供支持性支架，具有控释机制，确保持续的局部治疗效果。
关键发现表明，外泌体调节伤口愈合的所有阶段——调节炎症、促进成纤维细胞和角质形成细胞活性、促进血管生成以及通过调节ECM组成减少瘢痕形成。创新的整合策略能够实现精确的外泌体递送，同时保持结构和功能完整性。先进的刺激响应性水凝胶提供了靶向的、环境特异性的疗法，增强了递送功效。
尽管临床前结果令人鼓舞，但在稳定性、可扩展性、体内保留、机械性能和生物可降解性方面的挑战需要通过改进的制造技术、先进的表征方法和严格的临床评估来系统解决。解决监管和标准化问题对于临床转化仍然至关重要。
对临床实践的影响是深远的。负载外泌体的水凝胶提供了高效、局部的治疗递送，可能彻底改变慢性和复杂性伤口的治疗，减少恢复时间并改善患者预后。通过跨学科合作持续创新将释放其全部治疗潜力，重新定义伤口愈合方法，并为提高患者生活质量带来希望。未来探索新配方、生物材料组合和更广泛临床应用的研究将确立负载外泌体的可注射水凝胶作为再生医学中的基石技术。
