基于透明质酸的水凝胶具有葡萄糖响应性ROS清除能力用于糖尿病伤口愈合

《ACS Applied Bio Materials》：Hyaluronic Acid-Based Hydrogel with a Glucose-Responsive ROS Scavenging Ability for Diabetic Wound Healing

　　

慢性糖尿病伤口与高血糖条件下活性氧（ROS）的过量产生有关，这导致组织再生受损。在本研究中，研究人员开发了一种基于双交联透明质酸（HA）的水凝胶敷料，具有葡萄糖响应性ROS清除行为。该水凝胶由甲基丙烯酰化HA-苯硼酸（HAMA-PBA）和HA-多巴胺（HA-DA）组成，通过光交联形成稳定的初级网络，并通过可逆的硼酸酯-儿茶酚相互作用形成动态次级网络。在高血糖条件下，葡萄糖与PBA的竞争性结合调节了这些动态相互作用，从而实现抗氧化活性的葡萄糖响应性调控。所得水凝胶表现出适合伤口敷料应用的机械性能，并显示出良好的生物相容性。在体外观察到葡萄糖依赖性ROS清除和增强的角质形成细胞迁移。在慢性糖尿病小鼠模型中，与对照组相比，水凝胶治疗与加速伤口闭合以及改善的上皮再形成和胶原组织相关。总体而言，这些发现表明，使用HA基水凝胶进行葡萄糖响应性抗氧化调控是管理慢性糖尿病伤口氧化应激的一种有用方法。

论文解读：基于透明质酸的水凝胶用于糖尿病伤口愈合的葡萄糖响应性ROS清除

**研究背景与问题**

糖尿病是一种影响全球约8.8%人口的慢性代谢疾病，其中超过20%的患者会发展为慢性伤口，给患者和医疗系统带来沉重负担。与正常伤口愈合不同，糖尿病伤口在长期高血糖条件下产生过量活性氧（ROS），ROS累积激活炎症细胞并促进促炎细胞因子分泌，延长炎症期，最终损害组织再生。因此，清除过量ROS被认为是促进慢性糖尿病伤口愈合的有效策略。水凝胶敷料因能吸收伤口渗出液、维持湿润环境而成为加速慢性伤口修复的潜在平台。透明质酸（HA）因其优异的生物相容性和丰富的可修饰官能团而受到广泛关注。然而，现有抗氧化水凝胶系统多依赖静态ROS清除，缺乏对动态伤口微环境的适应性响应，可能无差别清除ROS，干扰其在正常细胞信号传导和抗感染中的生理功能。鉴于慢性糖尿病伤口渗出液中葡萄糖浓度持续升高，可将其作为内源性触发信号，开发葡萄糖响应性ROS清除水凝胶，实现按需自适应调节抗氧化活性，是更具精准性的治疗策略。

**研究概述与结论**

研究人员开发了一种基于HA衍生物的双交联水凝胶敷料（HMPD），由甲基丙烯酰化HA-苯硼酸（HAMA-PBA）和HA-多巴胺（HA-DA）组成，通过光交联形成稳定初级网络，同时通过可逆硼酸酯-儿茶酚动态键形成次级网络。在高血糖条件下，葡萄糖竞争性结合PBA，断裂硼酸酯-儿茶酚键，释放HA-DA，其暴露的儿茶酚基团能有效清除ROS，实现葡萄糖响应的抗氧化调控。体外实验表明，HMPD水凝胶在高糖和氧化应激条件下显著降低细胞内ROS水平，并增强角质形成细胞迁移。在db/db慢性糖尿病小鼠模型中，HMPD处理组相比对照组和HMP组（无HA-DA的水凝胶）表现出更快的伤口闭合、更完善的上皮再形成和更有序的胶原沉积。该研究结果表明，基于HA的葡萄糖响应性抗氧化水凝胶为管理慢性糖尿病伤口氧化应激提供了一种有效平台。该论文发表在《ACS Applied Bio Materials》。

**关键技术与方法**

主要关键技术包括：1）合成HAMA-PBA（先制备HAMA，再通过酰胺化偶联PBA）和HA-DA（通过酰胺化偶联多巴胺）；2）通过光交联（365 nm UV，60 s）和动态硼酸酯键形成双交联水凝胶（HMPD），控制组HMP为仅光交联HAMA-PBA；3）材料表征：傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、质子核磁共振（¹H NMR）确认化学结构，扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌，溶胀实验、压缩测试和流变学评估力学性能；4）体外实验：DPPH自由基清除实验评估抗氧化活性，L929细胞毒性实验（EZ-Cytox试剂），HaCaT角质形成细胞用于细胞内ROS检测（DCF-DA荧光探针）和划痕迁移实验；5）体内实验：使用8周龄雄性db/db小鼠（n=4/组）建立全层皮肤缺损模型（10 mm活检穿孔），每日更换水凝胶敷料，21天内拍照记录伤口闭合率，终点组织学分析（苏木精-伊红（H&E）染色和Masson三色（MT）染色）。样本来源：db/db小鼠购自指定供应商，饲养于AAALAC认证设施。

**研究结果**

**3.1 聚合物表征**：通过FT-IR和¹H NMR证实了HAMA-PBA和HA-DA的成功合成。HAMA-PBA中甲基丙烯酸酯和PBA的取代度（DS）分别为53%和56%；HA-DA中多巴胺的DS为62%。

**3.2 水凝胶表征**：SEM显示HMPD和HMP水凝胶均具有多孔截面结构；溶胀比均约1800%，表明高吸水能力；压缩模量在10–33 kPa范围内，接近人体皮肤；流变学显示储能模量（G′）高于损耗模量（G″），呈现弹性凝胶行为。HMPD的压缩模量略低于HMP，但差异无统计学意义。

**3.3 体外细胞毒性和功效**：L929细胞毒性实验显示两种水凝胶均保持高细胞活性（>90%），无显著细胞毒性。DPPH实验显示，HMP无清除活性，而HMPD在无葡萄糖时清除率约40%，在25 mM和40 mM葡萄糖条件下分别升至约55%和60%，表明葡萄糖触发了HA-DA释放。细胞内ROS实验（HaCaT细胞，25 mM葡萄糖+0.5 mM H₂O₂）显示，HMPD组荧光强度最低，显著降低细胞内ROS；划痕迁移实验显示HMPD处理组在12 h和24 h的迁移率最高。

**3.4 体内伤口愈合功效**：在db/db小鼠模型中，HMPD组在21天内伤口闭合率显著高于对照组和HMP组。H&E染色显示，对照组表皮厚度最薄（13.0 ± 6.5 μm），HMP组最厚（81.8 ± 20.1 μm），提示处于早期炎症-增殖期；HMPD组表皮厚度适中（48.8 ± 16.8 μm），反映更成熟的上皮结构。MT染色显示，HMPD组胶原沉积最多且纤维排列更有序，表明基质重塑增强。

**3.5 HMPD水凝胶的治疗意义**：讨论部分指出，HMPD通过动态共价键实现葡萄糖响应性ROS清除，区别于传统被动抗氧化水凝胶。其完全由生物相容性分子组成，具有良好细胞相容性。在模拟糖尿病伤口的高糖氧化微环境中，HMPD有效降低细胞内ROS并促进角质形成细胞迁移，这些体外结果与体内加速伤口愈合、再上皮化和胶原重塑一致。HMPD的抗氧化活性可能通过恢复氧化还原稳态支持血管生成和成纤维细胞功能，但本研究未直接评估局部炎症因子等机制标志物，其确切机制尚需进一步研究。该水凝胶并非直接降低葡萄糖浓度，而是利用高葡萄糖作为触发信号。

**结论翻译**：在本研究中，研究人员开发了一种基于HA衍生物的葡萄糖响应性ROS清除水凝胶敷料，用于治疗慢性糖尿病伤口。通过整合HAMA-PBA和HA-DA，水凝胶形成双网络系统，通过PBA-儿茶酚相互作用实现抗氧化活性的动态调控。这种设计使得葡萄糖触发的多巴胺介导的ROS清除得以激活，从而根据病理伤口条件调节氧化应激。体外和体内评估均表明，HMPD水凝胶通过调节高血糖条件下的氧化应激，有效促进了再上皮化和有序的胶原重塑。这些发现凸显了HMPD作为管理慢性糖尿病伤口的水凝胶敷料平台的潜力。