机械适应性水凝胶可重新调控细胞凋亡清除机制，从而预防组织纤维化

《Acta Biomaterialia》：Mechanically Adaptive Hydrogels Reprogram Apoptotic Cell Clearance to Prevent Tissue Fibrosis

　　

摘要

异常的机械刺激会通过维持机械转导、促进细胞凋亡以及推动促纤维化反应，从而在活动性伤口中引发纤维化瘢痕的形成，这些因素都会阻碍伤口的功能性再生。为了解决这一问题，我们开发了一种具有机械适应性的水凝胶贴片（Gel/VP），该贴片结合了互穿聚合物网络与CNC@PDA@ZIF8动态纳米填料。其中，互穿网络能够提供结构支撑并实现适应性变形，而纳米填料则通过氢键和π-π相互作用形成可重构的耗能网络，能够在贴片预拉伸时消耗拉力能量，在伤口界面形成反向机械缓冲，抑制Piezo1-YAP通路的持续激活，恢复巨噬细胞对凋亡细胞的清除功能，进而限制纤维化瘢痕的形成。这种互穿结构使贴片具备与皮肤机械环境相匹配的可调弹性范围（弹性模量为7-15 kPa，可伸展两倍）。在反向机械缓冲作用下，巨噬细胞的吞噬率从22.50%上升至64.50%，显著提升了凋亡细胞的清除效率。在体内实验中，该贴片可在两周内实现几乎完全的伤口闭合（超过95%），同时显著减少α-SMA⁺肌成纤维细胞的积累，促进胶原有序重塑，大幅降低瘢痕形成程度。总体而言，通过利用材料介导的反向应力缓冲机制来恢复巨噬细胞的吞噬功能，本研究旨在在纤维化早期阶段阻止凋亡细胞积累，为活动性伤口的功能性再生提供了一种有效的抗纤维化材料策略。

重要性说明

伤口愈合过程中的异常机械拉伸是导致纤维化瘢痕形成的关键因素，但目前的治疗方法很少考虑这一物理信号。我们开发的这种应力适应性水凝胶贴片能够在预拉伸时形成“反向机械缓冲”，在伤口界面重新分配拉力。这种缓冲作用可以抑制机械转导（Piezo1-YAP信号通路），同时恢复巨噬细胞对凋亡细胞的清除功能。通过将互穿聚合物网络与动态纳米填料相结合，该材料具备了适应性能量耗散能力以及与皮肤相容的机械性能。这项研究为通过机械引导和免疫调节手段限制纤维化提供了新的思路，为实现无瘢痕愈合和功能性组织再生带来了希望。

引言

纤维化瘢痕是活动性伤口愈合过程中的主要障碍[1]，其形成与异常的机械应力密切相关[[2], [3], [4]]。持续的机械负荷会激活Piezo1等机械敏感通道，导致钙离子失衡和活性氧积累，进而引发细胞凋亡并加剧炎症反应[[5], [6], [7], [8], [9]]。在皮肤损伤的微环境中，残留的凋亡细胞，尤其是内皮细胞，不仅会破坏血管稳态，还会释放促炎和促纤维化因子，进而导致肌成纤维细胞过度活化以及胶原沉积[10,11]。因此，凋亡细胞的异常积累被视为机械刺激与纤维化启动之间的重要关联。通过调节机械环境来调控与凋亡相关的过程，或许能为抑制瘢痕形成提供新的策略[12,13]。

在正常的伤口修复过程中，巨噬细胞会通过吞噬作用清除凋亡细胞和细胞碎片，从而限制促纤维化信号的传播并帮助炎症消退[[14], [15], [16]]。但在异常的机械环境中，比如持续拉伸或过度压迫的情况下，细胞的骨架结构会发生改变，吞噬受体也会聚集不足，同时YAP/TAZ信号通路也会受到干扰[17]。这些变化都会削弱巨噬细胞的吞噬能力[18,19]。结果就是吞噬功能受损，导致凋亡细胞无法被及时清除，炎症反应持续加剧，为纤维化的进一步发展创造了条件[20]。因此，精确调控伤口部位的局部机械环境，缓解异常的机械压力并恢复巨噬细胞的吞噬功能，被认为是干预纤维化进展的关键策略[21]。

由于具有类似软组织的力学特性以及较高的结构可调性，水凝胶贴片被广泛用于伤口修复领域[22,23]。近年来，机械适应性逐渐被视为调控伤口机械微环境的重要属性。它指的是材料通过可控的变形和能量耗散来重新分配应力，从而减少细胞感知到的异常机械信号，避免异常的机械转导发生[24,25]。在这种机制下，预拉伸的水凝胶能够消耗并重新分配拉力，从而在伤口边缘形成“反向机械缓冲”效应。过高的拉力能量会被转移到水凝胶网络中，从而减轻病理性应力对细胞的直接损害。不过，传统水凝胶很难在机械适应性和结构稳定性之间取得平衡[26]。提高交联密度虽然能提升稳定性，但会导致材料变硬，能量耗散能力下降，同时还会限制孔隙连通性和物质传输，进而影响细胞渗透和微环境重塑[27]。而将互穿聚合物网络与纳米填料相结合，则为解决这一矛盾提供了有效方案[[28], [29], [30], [31]]。通过链间相互渗透以及多价非共价相互作用，这类系统能够形成层次分明且连接紧密的网络，既能够实现应力分散和能量耗散，又能保持较低的硬度和高伸展性。这些特性使得水凝胶能够在动态载荷作用下持续提供机械缓冲，为细胞提供更为柔软的机械界面[32,33]。

基于此，我们开发了一种含有动态纳米级节点的互穿网络水凝胶贴片（Gel/VP），用于调节伤口中的异常局部机械信号（见图1）。具体来说，聚丙烯酰胺（AAm）构成主要网络，提供结构支撑；甲基丙烯酰化壳聚糖（CSMA）则构成次要网络，赋予贴片柔软性以及较高的孔隙连通性，从而使贴片能够在外部拉力作用下实现适应性变形的同时仍能承受负荷。CNC@PDA@ZIF8（纤维素纳米晶@聚多巴胺@ZIF8，CP@ZV）纳米级节点则通过多价非共价相互作用增强网络稳定性，同时能够耗散预拉伸产生的拉力能量。当贴片被预拉伸后，这些纳米级节点会协同作用，在伤口界面消耗应力，形成可控的反向机械缓冲，从而减少边缘细胞感知到的异常拉力信号，避免异常的机械转导发生，进而恢复巨噬细胞对凋亡细胞的清除功能。功能测试表明，该贴片在体外显著提高了巨噬细胞的吞噬效率，在体内则减少了α-SMA⁺肌成纤维细胞的积累，促进了胶原的有序重塑，同时限制了瘢痕的形成。

章节要点

材料

Verteporfin（VP）、Bleomycin（BLM）、纤维素纳米晶（CNC）、甲醇和冰醋酸均购自Maclin公司。六水合硝酸锌（Zn (NO₃)₂·6H₂O）购自Greagent公司。2-甲基咪唑（2-MIM）和盐酸多巴胺（DA）购自Adamas公司。苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰磷酸锂（LAP）购自Huaxia Sirin公司。丙烯酰胺（AAm）、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（Bis）以及甲基丙烯酰化壳聚糖（CSMA）均购自Sigma-Aldrich公司。所有

Piezo1介导的Ca²⁺过量积累会引发细胞凋亡并促进瘢痕形成

为探究活动性伤口中的机械刺激如何影响细胞功能及瘢痕形成，本研究使用了Piezo1通道激动剂Yoda1来模拟生物力学刺激[35]，并对瘢痕形成过程中Ca²⁺内流、细胞凋亡以及肌成纤维细胞活化的情况进行了系统分析。

随着Yoda1浓度的增加，细胞死亡率显著上升，当浓度达到5 μM时增幅尤为明显（见图1A），这表明该物质可通过诱导细胞凋亡或坏死发挥细胞毒性作用。此外，Yoda1还

结论

异常的机械应力是纤维化瘢痕形成的主要驱动因素。它通过机械转导诱导内皮细胞凋亡，从而导致凋亡细胞滞留、血管稳态被打破、炎症反应加剧，进而引发肌成纤维细胞活化并推动纤维化进程。为了解决这一问题，我们开发了一种基于互穿网络的结构、具备机械适应性的水凝胶（Gel/VP）。AAm/CSMA双交联网络与CNC@PDA@ZIF8纳米填料相互配合，

资金来源

本研究得到了非传染性慢性疾病国家科技重大专项（2023ZD0500700）、国家自然科学基金（82572450）、上海市自然科学基金（25ZR1402462）以及上海柔性医疗机器人重点实验室研究基金（SKLFMR-0207）的支持。

CRediT作者贡献说明

Lina Huang：论文撰写——初稿撰写、方法部分。Chao Lin：验证工作。Xiang Cui：实验研究。Zehao Chen：实验研究。Lulu Lin：实验研究。Hanyi Hua：实验研究。Xiaojian Ye：实验研究。Xiaoxiao Li：论文撰写——审稿与编辑、资金申请、概念构思。Wenguo Cui：论文撰写——审稿与编辑、研究指导。

Lina Huang|Chao Lin|Xiang Cui|Zehao Chen|Lulu Lin|Hanyi Hua|Xiaojian Ye|Xiaoxiao Li|Wenguo Cui