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面临4大挑战!产氧水凝胶加速慢性伤口愈合
来源:新闻动态    发布时间:2023-12-12 04:16:32

  慢性伤口缺氧会影响细胞修复过程,导致组织坏死、细菌感染、血管生成减少和伤口愈合延迟。为实现有效氧合和恢复氧平衡,研究人员已开发了基于不同氧气来源的制氧水凝胶,在伤口处释放溶解氧,不仅能缓解缺氧,还能加速慢性伤口愈合。近日,来自“Oxygen-Generating Hydrogels as Oxygenation Therapy for Accelerated Chronic Wound Healing”

  本综述首先讨论了氧气和缺氧在伤口愈合过程中的及其重要的作用。通过分解过氧化氢、金属过氧化物、葡萄糖活化级联反应和藻类微生物光合作用产生氧气,从而促进慢性伤口愈合。总结并展望了使用制氧水凝胶临床治疗慢性伤口的疗效和挑战。

  目前各种氧气源和纳米酶(包括过氧化氢、金属过氧化物和光合藻类微生物)已嵌入水凝胶,用于增强慢性伤口氧合,促进恢复。这些水凝胶不仅能提供有利于伤口愈合的湿润环境,还能在原位产生溶解氧,缓解伤口缺氧情况。通过调节水凝胶结构可实现长期持续的氧气释放,局部溶解的氧气可穿透皮肤700 μm以上,大大加快慢性伤口愈合。本综述首先分析了氧气和缺氧环境在伤口愈合过程中的作用。随后,概述了用于慢性伤口愈合的制氧水凝胶的进展。根据氧气来源不同,制氧水凝胶可分为四类:(1)通过分解H2O2产氧水凝胶(2)通过分解金属过氧化物产氧水凝胶(3)通过葡萄糖活化级联反应产氧水凝胶(4)通过藻类微生物的光合作用产氧水凝胶。详细的介绍了产氧水凝胶在慢性伤口愈合中的应用及其优缺点。最后,展望了将产氧水凝胶作为慢性伤口愈合的挑战和未来发展。

  氧气对急性或慢性伤口的愈合至关重要,因为其参与抗菌、细胞增殖、再上皮化、血管生成和胶原合成等伤口愈合过程。一个葡萄糖分子有氧氧化可产生36个ATP分子,无氧氧化只能产生2个ATP分子,没办法提供足够的能量来促进伤口愈合。在此,本文简要回顾了氧气和缺氧环境在伤口愈合过程中的作用,以及缓解慢性伤口缺氧的疗法。

  图3总结了不同氧气来源的氧气生成机制。其中,H2O2在过氧化氢酶(CAT)或类CAT纳米酶的作用下分解为O2和H2O,是最广泛使用的O2来源。H2O2是一种在体内无处不在的分子,通过超氧离子歧化或某些氧化酶的作用产生,可被多种酶或非酶系统消除。在正常生理条件下,低浓度H2O2由于反应活性低,对细胞毒性有限。但对中性粒细胞起趋化作用,并可刺激血管内皮细胞和成纤维细胞增殖。高浓度(≥50μM)的H2O2会对伤口组织产生强烈的氧化应激,并对许多细胞具有细胞毒性,主要因为H2O2通过涉及Fe2+、Cu+等的Fenton反应转化为高活性的羟自由基(-OH)。

  受此启发,Guan等人构建了一种清除ROS的水凝胶,其中含有核壳结构的制氧微球,核由聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/H2O2复合物组成,壳与CAT共轭。能够最终靠CAT分解H2O2产生O2,持续释放O2超过两周。水凝胶在糖尿病小鼠伤口中的持续供氧和清除ROS作用促进角质细胞迁移、表皮形成、刺激血管生成、减轻炎症反应并加速伤口闭合。但外源性H2O2的负载和递送仍有较大困难,因为H2O2有几率会使氧化应激和毒性反应。此外,水凝胶中的CAT对慢性伤口的复杂环境敏感,在体内会迅速降解,限制了进一步的应用。

  总之,含有CAT或类CAT纳米酶的水凝胶可催化外源性/内源性H2O2分解为O2,从而促进组织氧合和慢性伤口修复。但是CAT或类CAT纳米酶在慢性伤口复杂微环境中的分解过程以及分解产物对细胞和伤口愈合阶段的影响却鲜有研究,释放的氧气是否能满足伤口愈合各阶段对pO2的要求也存在未知。

  金属过氧化物,包括过氧化钙(CaO2)、过氧化镁(MgO2)、过碳酸钠、过氧化锌(ZnO2)等,接触H2O后可产生O2,已大范围的应用于癌症治疗和组织工程。其中,CaO2是最常用的固体过氧化物,由于其毒性相比来说较低且反应速度适中,可作为一种多功能的O2源。从CaO2生成H2O2和O2是一个竞争过程,O2的释放速度可由温度和pH值等因素控制。例如,Park等人通过CaO2介导的氧化交联反应制备了硫醇明胶基产氧水凝胶,其中CaO2分解成H2O2和O2,然后氧化巯基形成二硫键交联。在水凝胶中加入CAT可降低释放的H2O2浓度,增强水凝胶的细胞相容性。将含有CaO2和CAT的水凝胶植入小鼠皮下4小时后,通过CAT介导的H2O2分解作用,水凝胶释放出氧气,pO2达到71.9%,从而改善促进新生血管形成并加快伤口愈合。

  在生物体内,葡萄糖激活GOx和CAT的级联反应是通过相互关联的代谢途径进行的。GOx和CAT的级联反应氧化葡萄糖生成H2O2,然后再催化H2O2生成O2。这一过程已大范围的应用于多个领域,如葡萄糖检测生物传感器、食品和饮料行业、肿瘤治疗等。最近,含有葡萄糖活化级联系统的水凝胶大范围的使用在治疗慢性伤口。糖尿病患者伤口除缺氧外,高血糖和氧化应激也会阻碍糖尿病伤口的愈合。Li等人制备了GOx和CAT纳米酶壳聚糖水凝胶(GCNC)来改变糖尿病伤口的微环境,加速伤口愈合。当GOx/CAT纳米酶与30%的H2O2反应时,溶解的O2浓度在30秒内增加到35 mg/L,主要归因于CAT催化H2O2快速分解为O2。此外,GOx/CAT纳米酶还能有效消耗细胞内ROS,增加L929细胞的氧气供应,促进体外细胞增殖、迁移和血管生成。GCNC水凝胶还对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌拥有非常良好的抗菌活性。在糖尿病大鼠伤口中使用GCNC水凝胶可降低血糖水平、减轻氧化应激并加速伤口修复。

  总之,含有葡萄糖活化级联系统的水凝胶不仅能降低血糖水平,缓解伤口的高血糖状态,还能减轻缺氧和氧化应激,从而促进糖尿病伤口的快速愈合。然而,GOx/CAT纳米酶系统暴露在糖尿病伤口复杂微环境中容易被降解,限制其生物医学应用。虽然基于纳米酶的级联反应系统能在慢性伤口中保持类似GOx/CAT的活性,但纳米酶的最佳比例、协同机制和生物安全性仍不清楚。

  在自然界中,一些微生物(如藻类)可以消耗二氧化碳和水,在阳光照射下通过光合作用将其转化为氧气。这一自然过程是大气中氧气的大多数来自,只要光合作用持续进行就能持续产生氧气。然而,直接用这些藻类作为伤口敷料来提供氧气是不可行的,因为细菌释放的酶可能会分解藻类,造成伤口细菌感染的风险。Chen等人制作了一种贴片式伤口敷料,其中填充了含有细长Synechococcus PCC7942的凝胶珠,这种藻类能吸收无机碳化合物(CO2、CO32-、HCO3-),并在光照下通过光合作用产生O2。Alga凝胶贴片通过穿透小鼠皮肤(300~400μm)有效产生和输送氧气,氧气含量达到240 μM。在糖尿病小鼠伤口上贴片促进了血管生成、伤口再上皮化和肉芽组织形成,并通过将慢性伤口转化为急性伤口,显著加速糖尿病伤口的愈合。水凝胶促进糖尿病伤口自体移植皮瓣的存活,与其他处理组相比,坏死率明显降低。

  总之,含有藻类的产氧水凝胶可通过光合作用持续释放氧气,同时排出二氧化碳,影响伤口的局部气体交换。但是藻类的新陈代谢也会消耗氧气。因此,需要调整水凝胶中藻类细胞的密度,以实现最佳氧气供应。此外,光照也是决定氧气产生率的重要的条件,这也是藻类水凝胶临床应用的另一个困难。不一样的种类的微藻对不同波长的光有不同反应。因此,应仔细考虑光波波长的选择,以优化藻类生长和氧气产生。

  慢性伤口愈合是一个复杂而困难的过程,主要是由于复杂的微环境造成的。缺氧在慢性伤口愈合过程中起至关重要的作用,缺氧会抑制细胞的修复,导致组织坏死、细菌感染和伤口延迟闭合。制氧水凝胶已成为有希望用于慢性伤口闭合的伤口敷料。本综述概述了基于不同氧气来源的各种制氧水凝胶,包括H2O2、CaO2、葡萄糖激活级联反应和藻类微生物。制氧水凝胶可直接在伤口床释放氧气,缓解缺氧和炎症反应,促进血管生成、肉芽形成、伤口再上皮化,最终加速慢性伤口闭合。

  要将制氧水凝胶作为慢性伤口的氧合疗法应用于临床,还需要克服几个挑战。(1)要解决制氧水凝胶的生物相容性和生物安全性问题。水凝胶的成分、氧气来源和分解产物会影响细胞反应,从而可能延迟伤口愈合过程。(2)精确控制氧气释放速度满足伤口修复所需的pO2水平,同时避免氧化应激。未来的研究重点可能是开发可以依据慢性伤口详细情况调整氧气释放量的刺激响应型材料,以此来实现按需释放氧气。(3)必须避免藻类微生物可能引发的免疫反应。可通过基因改造技术来定制这些微生物,提高它们与宿主的兼容性。(4)制氧水凝胶的储存稳定性。应防止外源H2O2在制氧水凝胶中泄漏,使用前应防止CaO2受潮,同时应在使用前保持藻类微生物的细胞活力。优化储存条件,如湿度和温度,可明显提高稳定性。未来随着对水凝胶材料、氧气输送和缺氧微环境之间相互作用的不断研究和了解,可以开发具有按需氧气释放的产氧水凝胶,以此来实现对慢性伤口产生最佳治疗效果。