《CEJ》武漢協和醫院劉國輝：雙層水凝膠實時監測感染并促糖尿病傷口愈合！

研究概述

糖尿病創面因高血糖導致的慢性炎癥、血管新生障礙和細菌感染（感染率50-60%）而難以愈合，常發展為慢性潰瘍甚至截肢。傳統敷料僅被動覆蓋創面，無法同時解決感染監測、免疫調節和血管再生三大關鍵問題。

盡管已有研究利用水凝膠、干細胞外囊泡（sEVs）或天然活性成分（如花青素）分別針對感染控制、巨噬細胞極化（M2型）或促血管生成，但缺乏整合診斷與治療功能的系統性設計，且糖尿病創面愈合速度仍顯著低于非糖尿病創面。

基于此，本研究團隊構建了一種名為“Tri-Act”的雙層智能水凝膠敷料（AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR），上層利用富含花青素的桑葚提取物實現創面感染的可視化pH監測，下層裝載miR-210-3p工程化小細胞外囊泡（sEVsmiR），通過pH響應釋放協同發揮抗菌、抗氧化、緩解內質網應激、促進巨噬細胞M2極化和血管新生等多重作用，顯著加速糖尿病感染創面愈合，效果優于傳統治療，為糖尿病創面管理提供了新的診療一體化策略。

AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR制備過程及其促進傷口愈合的作用示意圖

相關研究成果以“Mulberry-inspired tri-act hydrogel for visual monitoring and enhanced diabetic wound repair”為題，發表在《Chemical Engineering Journal》（中科院醫學1區/IF 13.2）。華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院劉國輝、華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院薛航、華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院劉夢非、重慶大學生物工程學院馮茜為其共同通訊作者。

圖文結果

本研究構建了一種“Tri-Act”雙層水凝膠敷料（AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR），上層為含桑葚花青素提取物（MFE）的海藻酸/醛化透明質酸（AlgHA-MFE）層，利用其pH響應變色實現感染可視化；下層為負載miR-210-3p工程化小細胞外囊泡（sEVsmiR）的Schiff堿交聯透明質酸（sHA）層，可緩釋sEVsmiR。實驗先制備并表征sEVsmiR，驗證其促進HUVEC增殖、遷移和血管生成的能力；隨后合成并優化雙層水凝膠的理化性能，確認其可注射、自愈合、抗菌、止血和生物相容性。在糖尿病大鼠感染創面模型中，該敷料通過抗氧化、緩解內質網應激、誘導巨噬細胞M2極化和增強血管新生，顯著加速愈合，且效果優于非糖尿病對照，實現了感染實時監測與治療一體化。

圖 1、miR-210-3p工程化小細胞外囊泡（sEVs）的表征及其增強的血管生成效應。(A) sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 的透射電鏡（TEM）圖像。(B) sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 的納米顆粒跟蹤分析（NTA）結果。(C) 不同 sEVs 中 CD9、CD81、TSG101 和 calnexin 的 Western blot 鑒定。(D) sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 中 miR-210-3p 的相對表達量。(E) HUVECs 攝取 sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 的代表性圖像。(F) HUVECs 經 sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 處理后 miR-210-3p 的相對表達量。(G) HUVECs 經 sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 處理后的相對細胞活力。(H) HUVECs 經三種不同小細胞外囊泡處理后的細胞周期結果。(I) HUVECs 在不同細胞周期階段的占比定量分析。(J) HUVECs 接受不同處理后的劃痕實驗代表性圖像及 (K) 遷移率。(L) HUVECs 經 PBS、sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 處理后的管腔形成實驗代表性圖像。管腔形成實驗中 (M) 分支點數量和 (N) 總分支長度的定量分析。

圖 2、sHA水凝膠的制備與表征。(A) sHA合成的宏觀觀察。(B) sHA水凝膠的可注射性能。(C) sHA水凝膠的自修復性能。(D) 不同固含量（2%、4%、6%）sHA水凝膠的SEM圖像。(E) 不同固含量（2%、4%、6%）sHA水凝膠的時間掃描測試和(F) 應變掃描測試。(G) 4% sHA水凝膠的連續階躍應變測試。

圖 3、AlgHA/sHA雙層水凝膠的合成與表征。(A) AlgHA/sHA合成過程的宏觀觀察。(B) AlgHA與sHA水凝膠連接情況的觀察。(C) AlgHA、sHA及AlgHA/sHA水凝膠的溶脹比。(D) AlgHA、sHA及AlgHA/sHA水凝膠在pH 7.4和pH 5.0下的降解特性。(E) AlgHA/sHA在pH 5.0的PBS溶液中浸泡6天前后的照片。(F) 花青素和(G) sEVs在pH 5.0和pH 7.4的PBS溶液中從水凝膠中的釋放百分比。

圖 4、水凝膠的抗菌性、止血能力及生物相容性。(A) PBS、氨芐西林、AlgHA、sHA、AlgHA/sHA、AlgHA-MFE/sHA、AlgHA-MFE/sHA-sEVs、AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR處理后金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的菌落。(B) 金黃色葡萄球菌和(C) 大腸桿菌的CFU計數。(D) 止血實驗示意圖。(E) PBS、明膠海綿、AlgHA、sHA及AlgHA/sHA水凝膠處理后的肝臟出血照片。(F) 肝臟失血量的定量分析。(G) 紅細胞與PBS、不同水凝膠及Triton X-100共孵育后的溶血情況。(H) 溶血率的定量分析。

圖 5、基于pH檢測的傷口感染可視化監測。(A) MFE溶液在pH 4–10范圍內的照片。(B) AlgHA-MFE水凝膠在不同pH溶液中浸泡后的照片。(C) AlgHA-MFE水凝膠與細菌培養基共孵育不同時間點（0、6、12、24和48小時）的照片。(D) 使用pH試紙測定糖尿病大鼠在金黃色葡萄球菌感染前后傷口的pH值。(E) AlgHA-MFE和AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR水凝膠應用于感染或未感染糖尿病傷口的照片。

圖 6、AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR 促進血管生成的效果與機制。(A) 采用 DCFH-DA 檢測 HUVEC 內 ROS 水平。(B) 不同處理后第 1、2、3 天 HUVEC 的相對細胞活力。(C) 不同處理 2 天后 HUVEC 的細胞周期結果。(D) 各細胞周期階段細胞比例。(E) 劃痕實驗 0 和 24 h 的 HUVEC 顯微圖像。(F) HUVEC 24 h 遷移率的定量分析。(G) 管腔形成實驗顯微圖像。(H) 管腔形成實驗總分支長度和 (I) 分支點的定量分析。(J) HUVEC 中抗氧化酶及 PERK 通路相關蛋白的表達。(K) 用于檢測 EFNA3 及 PI3K/AKT/VEGFA 通路相關蛋白表達水平的 Western blot 結果。(L) 內質網應激相關蛋白及抗氧化酶相對表達的定量分析。(M) EFNA3 及 PI3K/AKT/VEGFA 通路蛋白的相對表達。G1、G2、G3、G4、G5、G6 分別代表對照、HG、HG+AlgHA/sHA、HG+AlgHA-MFE/sHA、HG+AlgHA-MFE/sHA-sEVs、HG+AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR。

圖 7、AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR 對巨噬細胞極化的調控。(A) Raw264.7 細胞內吞 sEVs 和 sEVsmiR 的代表性圖像。(B) 流式細胞術檢測 Raw264.7 細胞中 CD86 和 (C) CD206 的表達。(D) CD86 陽性巨噬細胞和 (E) CD206 陽性巨噬細胞在不同處理后的比例。Raw264.7 細胞中 (F) IL-1β、(G) TNF-α、(H) IL-10、(I) TGF-β、(J) VEGFA 和 (K) bFGF mRNA 的相對表達量。G1、G2、G3、G4、G5、G6 和 G7 分別代表對照、IL-4、LPS、LPS+AlgHA/sHA、LPS+AlgHA-MFE/sHA、LPS+AlgHA-MFE/sHA-sEVs 和 LPS+AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR。

圖 8、AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR 水凝膠治療糖尿病感染創面的療效與生物安全性。(A) 評估不同水凝膠治療糖尿病感染創面療效的時間軸。(B) 不同處理后創面的宏觀圖像。(C) 多種治療方式下創面愈合的模擬分析。(D) 第3、7、14天的創面相對面積。(E) 治療3天后糖尿病感染創面的細菌培養結果。(F) 創面細菌培養的CFU計數。(G) 不同處理組心臟、肝臟、脾臟、肺臟和腎臟的組織學檢查。G1、G2、G3、G4、G5和G6分別代表對照組、DM組、DM+AlgHA/sHA組、DM+AlgHA-MFE/sHA組、DM+AlgHA-MFE/sHA-sEVs組和DM+AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR組。

圖 9、水凝膠處理后傷口組織的組織學評估。(A) 第14天傷口組織的H&E染色。(B) 第14天傷口組織的Masson三色染色。(C) 使用DHE熒光染色評估傷口部位的ROS水平。(D) 傷口區域GRP78的免疫組化結果。(E) H&E染色中傷口長度的統計分析。(F) 膠原體積分數的統計分析。(G) 傷口ROS平均熒光強度的統計分析。(H) 傷口區域GRP78免疫組化中GRP78陽性面積的百分比。G1、G2、G3、G4、G5和G6分別代表對照、DM、DM+AlgHA/sHA、DM+AlgHA-MFE/sHA、DM+AlgHA-MFE/sHA-sEVs和DM+AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR。

圖 10、水凝膠對糖尿病感染創面血管生成及巨噬細胞極化的調控作用。(A) 第3天和第7天創面組織中iNOS和CD206的免疫熒光染色結果。創面組織中iNOS平均熒光強度的統計分析：(B) 第3天，(C) 第7天。創面組織中CD206平均熒光強度：(D) 第3天，(E) 第7天。(F) 第7天和第14天創面區域CD31和α-SMA的免疫熒光染色結果。創面區域新生血管定量：(G) 第7天，(H) 第14天。創面成熟血管定量：(I) 第7天，(J) 第14天。G1、G2、G3、G4、G5和G6分別代表對照組、DM組、DM+AlgHA/sHA組、DM+AlgHA-MFE/sHA組、DM+AlgHA-MFE/sHA-sEVs組和DM+AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR組。

結論

本研究構建了一種集“可視化感染監測-免疫調節-促血管新生”于一體的“Tri-Act”雙層水凝膠敷料（AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR）：上層富含桑椹花青素，可隨傷口pH變化實時顯色監測感染；下層pH響應性釋放miR-210-3p工程化小細胞外囊泡，協同抗氧化、緩解內質網應激，顯著促進巨噬細胞M2極化與血管新生。糖尿病感染傷口模型證實，該水凝膠抗菌率＞95%，14天內創面相對面積縮小至2.1%，愈合速度優于非糖尿病對照，為糖尿病創面一體化診療提供了新策略。

參考文獻

標題：Mulberry-inspired tri-act hydrogel for visual monitoring and enhanced diabetic wound repair

作者：Zhenhe Zhang、Bobin Mi、Yuheng Liao、Pengzhen Bu、Xudong Xie、Chenyan Yu、Weixian Hu、Yun Sun、Qian Feng、Mengfei Liu、Hang Xue、Guohui Liu

期刊：Chemical Engineering Journal 505 (2025) 159313

DOI:10.1016/j.cej.2025.159313

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https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159313