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中国科学院刘宣勇Small:具有抗菌活性和免疫调节协同作用的中草药水凝胶促进伤口愈合

学术动态    2022-06-23 16:12

 

Doi:10.1002/smll.202201766

皮肤伤口,尤其是感染性慢性伤口,由于发病率高、治疗效果差,引起了全世界的关注。因此,迫切需要具有抗菌能力和免疫调节特性的水凝胶敷料。鉴于此,中国科学院刘宣勇教授等人受中药研磨处理的启发,引入机械力以促进有效的分子碰撞并加速壳聚糖(CS)和葛根素(PUE)的自组装,用于制备中草药水凝胶。 CS@PUE(C@P)水凝胶的抗菌率在95%以上,伤口闭合率是对照组的2倍。有趣的是,具有不同 PUE 比的 C@P 水凝胶的合理设计能够精确控制水凝胶的形成、纳米纤维的外观、粘弹性、物理化学和生物学特性。C@P 水凝胶的非凡抗菌能力可能源于纳米纤维结构和由于 CS 中氨基的取向而提高的 zeta 电位。因此,C@P水凝胶的协同抗菌和免疫调节特性可以杀死细菌并缓解创面炎症,确保抗感染效果,促进创面愈合。除了提供通用的基于 PUE 的水凝胶用于伤口愈合的机械合成外,这一发现有望增加对中草药在生物材料构建中的关注。

Scheme 1:受中药葛根研磨启发制备C@P水凝胶的示意图。C@P 水凝胶的自组装是由 CS 和 PUE 分子之间的非共价键诱导的。CS链中胺基的取向作为机械臂,可以打破细菌的电荷平衡并产生优异的抗菌活性。注射C@P水凝胶后,可迅速杀死感染创面的细菌,并诱导巨噬细胞极化为M2表型,加速感染创面愈合。

图1 C@P 水凝胶的表征。a) CP1 水凝胶在 0、3、6 和 12 小时的胶凝过程照片。b) PUE、CS、CP0.2、CP1 和 CP2 在高倍率下的 SEM 图像和 CP1 水凝胶在低倍率下的 SEM 图像。 c) PUE、CS、CP0.2、CP1 和 CP2 的 FTIR 光谱。d) PUE、CS、CP0.2、CP1 和 CP2 在超纯水中的 Zeta 电位。e) CS、CP0.2、CP1 和 CP2 在相对稳定的条件下在 1 Hz 频率和 1% 应变下的储能模量 (G') 和损耗模量 (G")。f) CP1 水凝胶在连续测试 6 h 下 G' 和 G' 的变化。 g) CP1水凝胶的G′和G″随应变从1%到1000%的变化。h) CP1 水凝胶的自愈特性,五个循环模量在 1% 和 1000% 应变之间变化。

图2 C@P水凝胶的抗菌性能。a) 大肠杆菌和 b) 金黄色葡萄球菌用盐水(对照)、PUE、CS、CP0.2、CP1 和 CP2 样品处理的细胞活力。c) 来自对照、PUE、CS、CP0.2、CP1 和 CP2 样品的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的细菌菌落照片。d) 用对照、PUE、CS、CP0.2、CP1 和 CP2 样品处理的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的 LIVE/DEAD 染色。e) 在对照、PUE、CS、CP0.2、CP1 和 CP2 样品上培养的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的 SEM 图像,破膜用红色箭头标记。

图3 C@P水凝胶的体外生物相容性评价和免疫调节。与对照、PUE、CS、CP0.2、CP1 和 CP2 样品共培养的 L929 细胞的 CCK8 测定 a) 24 小时和 b) 48 小时。c) 用 H2O2、PUE、CS、CP0.2、CP1 和 CP2 样品处理的 L929 细胞的 H2O2 清除测试。d) L929 细胞在第 3 天用对照、PUE、CS、CP0.2、CP1 和 CP2 样品处理的 LIVE/DEAD 染色,绿色荧光表示活细胞,红色荧光表示死细胞。e) 用异硫氰酸荧光素异构体 (FITC) 鬼笔环肽 (绿色) 染色的 F-肌动蛋白的细胞骨架荧光染色和用对照、PUE、CS 处理的 L929 细胞的 4',6-二脒基-2-苯基吲哚 (DAPI, 蓝色) 染色的细胞核、CP0.2、CP1 和 CP2 在 2、10 和 24 小时采样。f) 在与对照、PUE、CS、CP0.2、CP1 和 CP2 样品共培养 48 小时后,RAW264.7 细胞的 iNOS(绿色)、CD206(红色)和 DAPI(蓝色)的免疫荧光染色。g) 包括 iNOS、CD206、IL-4 和 IL-10 在内的相关基因表达的 RT-PCR 测定。

图4 C@P 水凝胶的伤口愈合特性。a) 全层伤口模型中第 0、2、5、9 和 14 天用盐水(对照)、PUE、CS 和 CP1 水凝胶处理的伤口照片。b) 相应的迹线和 c) 对照组、PUE、CS 和 CP1 组在第 0、2、5、9 和 14 天的伤口闭合率。d) 对照组、PUE、CS 和 14 天伤口再生的 H&E 染色评估 第 14 天的 CP1 组。e) 用对照、PUE、CS 和 CP1 组处理的再生组织中 iNOS(红色)、CD206(绿色)和 DAPI(蓝色)的免疫荧光染色。f) 感染伤口模型中感染伤口的照片。 g) 相应的痕迹和 h) 对照组、PUE、CS 和 CP1 组在第 0、2、5、9 和 14 天的伤口闭合率。i) 第 2 天从感染皮肤收集的金黄色葡萄球菌菌落照片。j)再生组织的免疫荧光染色。