基于明胶甲基丙烯酰（GelMA）的肽偶联水凝胶兼具抗纤维化调节与抗生物膜活性

《Biomaterials Science》：GelMA-based peptide conjugated hydrogel with antifibrotic modulation and antibiofilm activityOpen Access

　　

过度的纤维化与植入物相关感染仍是伤口愈合及术后组织修复中的主要挑战，常导致再生受损与长期并发症。尽管明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶因其生物相容性及可调控的物理化学性质而广泛用于再生医学，其本身缺乏抗纤维化与抗菌功能。研究人员报道了一种双重功能GelMA基水凝胶（GelMA-AMP/AFP），通过共价共偶联抗纤维化肽（DR8）与广谱抗菌肽（P9-4），在单一生物材料平台中同时调控纤维化反应与细菌定殖。肽功能化GelMA水凝胶在保留多孔微结构、机械完整性及溶胀行为的同时，实现了为期14天的持续肽释放。在TGF-β1诱导的体外成纤维细胞纤维化模型中，双重功能水凝胶显著抑制成纤维细胞增殖与迁移，降低胶原沉积，并在基因与蛋白水平下调COL1A1、ACTA2、FN1及TGF-β1等促纤维化标志物。与此同时，该GelMA-AMP/AFP平台有效抑制耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）与多重耐药铜绿假单胞菌（MDRPA）等多重耐药病原体的细菌黏附与生物膜形成，且无细胞毒性。该研究报道了在单一材料体系内通过共价偶联抗纤维化与抗菌肽同时抑制纤维化与生物膜形成的GelMA基生物材料，为先进伤口敷料、术后粘连预防及感染易发组织修复的未来研究提供了有用基础，尚待体内验证。

研究背景方面，组织损伤或外科干预后的过度纤维化是重大临床挑战，可损害组织功能、促进慢性炎症并引发长期并发症，常见于心脏术后粘连、眼科术后纤维膜、骨科植入物周围硬组织形成及烧伤后厚瘢痕。现有抗纤维化治疗多为全身给药，局部疗效有限且全身副作用风险高。外科创面与开放伤口极易感染，其中耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）与多重耐药铜绿假单胞菌（MDRPA）等多重耐药病原体临床威胁最大。抗纤维化肽（AFP）DR8（DHNNPQIR-NH₂）通过调控TGF-β/MAPK信号抑制纤维化，但易扩散降解；抗菌肽（AMP）P9-4（KWRRWIRWL-NH₂）具广谱活性且耐药风险低，同样存在酶解快、半衰期短问题。既往GelMA水凝胶多单独应对纤维化或感染，缺乏统一调控双病理过程的化学定义平台。该研究由研究人员发表于《Biomaterials Science》，旨在将DR8与P9-4共价偶联于GelMA，实现纤维化激活与细菌定殖并发抑制而不破坏材料本征性质。

关键技术方法上，研究人员采用固相合成法制备DR8与P9-4并分别用FITC与Cy5荧光标记；将猪皮明胶甲基丙烯酰化得GelMA，经琥珀酸酐引入羧基得GelMA-COOH，紫外交联成型后通过EDC/NHS化学共价偶联单肽或双肽；以荧光显微镜、ATR-FTIR、SEM、流变、溶胀及14天释放曲线表征材料；抗菌评价涵盖浮游菌MIC、菌落计数、活死染色、提取液动力学及3天生物膜预防（结晶紫替代为沙黄染色EPS、resazurin代谢）、SEM形貌与成熟生物膜根除；细胞实验采用NIH3T3小鼠成纤维细胞系，依ISO 10993-12制提取液，经MTT、活死染色、划痕、Sircol胶原/DNA定量、RT-qPCR（COL1A1、TGF-β1、ACTA2、FN1）及免疫荧光（α-SMA、COL1A1）评价抗纤维化。

研究结果部分，3.1节材料表征中，¹H NMR证实GelMA乙烯基修饰成功，荧光与ATR-FTIR证实AMP（Cy5）与AFP（FITC）共价均匀分布，偶联量分别为705.45±29.14与375.90±23.11 nmol cm^?3（双肽体系）；SEM显示平均孔径68–77 μm无显著变化；14天释放显示P9-4初期突释、DR8更缓释，至第14天分别释放约90%与97%；流变显示G′始终大于G″且肽偶联提升模量；溶胀率因肽引入物理交联而略降。3.2节抗菌性能中，可溶性P9-4对MRSA与MDRPA的MIC分别为10 μM与25 μM，DR8无抑菌；菌落计数显示GelMA-AMP/AFP对10⁵ CFU/mL MRSA降至1.25 log、对10⁸ CFU/mL降至4.31 log，对MDRPA相应降至1.19与约1.8 log下降；活死染色示MRSA死细胞滞留表面、MDRPA附着减少；提取液实验表明共价偶联组较浸渍组根除效力更强；3天生物膜预防中MRSA生物膜形成降至37%、MDRPA降至62%，EPS与resazurin代谢同步下降，SEM见MRSA菌体皱缩、MDRPA附着锐减；成熟生物膜根除实验使MRSA与MDRPA活力分别降至37.06%与21.20%。3.3节抗纤维化评价中，直接接触见成纤维细胞黏附降低而非毒性（提取液MTT均>70%符合ISO 10993-5）；TGF-β1刺激下GelMA-AMP/AFP组增殖仅151%、显著低于模型组224%；划痕示迁移受抑；胶原/DNA定量下降；RT-qPCR与免疫荧光证实COL1A1、ACTA2、FN1、TGF-β1基因及α-SMA、COL1A1蛋白下调。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出该工作代表一种在单一GelMA平台中共价固定抗纤维化与抗菌肽的体系，建立多重功能生物材料设计策略：肽-水凝胶亲和性而非单纯疏水性主导释放行为，P9-4早期突释利于即时抗菌、DR8缓释利于持续抗纤维化；共价展示增强接触杀菌并借表面电荷与位阻抑制初始黏附，双肽共存不削弱抗菌且补足抗纤维化；GelMA软基质本身限制成纤维黏附，提取液介导可溶肽调控辅以表面限附形成互补抗纤作用。结论为：该研究报道的GelMA-AMP/AFP水凝胶在体外通过DR8与P9-4的共价共偶联，于同一材料系统内并行抑制成纤维细胞活化与多重耐药病原体生物膜形成，保留GelMA多孔性、力学与溶胀本征属性，为先进伤口敷料、术后粘连预防及感染易发组织修复提供化学驱动的多功能生物材料基础，后续需体内验证。