IF:10《AHM》复旦陈峰/同济赵新宇:聚酚修饰的Mg-Zn层状氢氧化物微针重塑糖尿病口腔微环境修复黏膜
专栏:学术前沿
发布日期:2025-03-13
作者:创赛科研

糖尿病口腔溃疡持续的炎症状态,高血糖环境促进活性氧(ROS)过度积累和晚期糖基化终产物(AGEs)水平升高,引发细菌感染并加剧炎症,对愈合构成挑战。口腔溃疡部位的动态微环境,包括持续的肌肉活动和唾液分泌,使得药物难以在局部有效积累,限制了治疗效果。同时,口腔黏膜的生理屏障作用也阻碍了药物的渗透,使得传统治疗方法难以实现持久的药物释放和有效的组织修复。


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针对上述问题复旦大学陈峰/同济大学赵新宇、郑龙坡教授设计了一种多功能可溶性微针贴片,利用聚谷氨酸(γ-PGA)作为基质,负载槲皮素(Qu)修饰的Mg-Zn层状氢氧化物盐(LHS)纳米片,通过微针穿透口腔黏膜,实现药物的透皮传递,从而调节伤口微环境,促进溃疡愈合。该文章于2025年02月11日以Polyphenol-Modified MgZn Layered Hydroxide-Contained Microneedle Patch Enhance Mucosal Repair by Remolding Diabetic Oral Microenvironment为题发表于Advanced Healthcare Materials》(DOI10.1002/adhm.202403883)。

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LHSQ-MN微针贴片设计及作用示意图

(1)LHSQ的合成与表征

图1a中LHS的SEM图像可清晰呈现由薄纳米片组成的皱褶形态。图1b和c分别展示了LHSQ的SEM和TEM图像,表明其同样具有由薄纳米片构成的结构。图1d的EDS元素映射结果显示,Zn、Mg、O和C元素在LHSQ中均匀分布。图1e的FTIR光谱显示,LHSQ在788和1320 cm1处有吸收峰,分别对应于LHS中的-OH和Qu中的C-OH,证实了Qu成功结合到LHS上。图1f的XRD图谱表明LHSQ由Mg-Zn层状羟基盐组成。图1g的XPS进一步验证了LHSQ的元素组成,其中C1s光谱在285.1、286.6和289.1 eV处有峰,分别对应于sp2C、C-O和C=O(图1h),Mg2+的特征峰位于1304.5 eV(图1i),Zn 2p3/2Zn 2p1/2光谱大约在1022.6和1045.5 eV处有峰,对应于Zn2+的特征峰。这些结果表明LHSQ复合材料中存在Mg2+Zn2+Qu

(2)LHSQ-MN的合成与表征

图2a描述了LHSQ-MN贴片的制备过程,其由γ-PGA制成的可溶性微针阵列组成,负载了经过Qu修饰的Mg-Zn层状羟基盐(LHSQ)纳米片。图2b展示了MN模具和制备好的贴片的实物照片,表明其具有均匀的针阵列结构。图2c的SEM图像显示了LHSQ-MN贴片的表面形貌,其针尖呈锥形,高度为500 μm,基底直径为200 μm。图2d的EDS元素映射结果证实了Zn、Mg、O和C元素在LHSQ-MN贴片中均匀分布,表明LHSQ已成功均匀地结合到贴片中。图2e的机械性能测试显示,LHSQ-MN贴片在受到161.9 N的机械力时发生破坏,表明其具有良好的机械强度,有利于有效穿透黏膜。图2f展示了LHSQ-MN贴片在不同时间点的吸水膨胀情况,表明其具有良好的生物降解性。


图1 LHS和LHSQ的表征。(a)LHS的扫描电子显微镜(SEM)图像;(b)LHSQ的SEM图像和(c)透射电子显微镜(TEM)图像;(d)LHSQ的能量色散光谱(EDS)元素分布图;(e)Qu、LHS和LHSQ的傅里叶变换红外光谱(FTIR);(f)LHS和LHSQ的X射线衍射(XRD)图谱;(g)LHSQ的X射线光电子能谱(XPS);(h-j)LHSQ的C1s、Mg1s和Zn2p的高分辨XPS光谱

图2 LHSQ-MN的合成和表征。(a)LHSQ-MN的合成示意图;(b)MN模具和贴片;(c)LHSQ-MN贴片的扫描电子显微镜(SEM)图像;(d)LHSQ-MN贴片的自上而下的SEM图像和能量色散光谱(EDS)元素绘图;(e)MN的机械性能;(f)在不同时间点(75%湿度箱,室温)吸湿后MN的明场形态学图像

(3)LHSQ-MN的体外抗菌性能

图3a的平板计数法结果显示,LHSQ-MN贴片对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和变异链球菌均表现出显著的抗菌效果,抗菌率分别为97.5%、98.2%和93.1%。图3b-d的定量统计进一步证实了LHSQ-MN贴片对这三种细菌的高效抗菌活性。图3e的SEM图像显示,与对照组相比,LHSQ-MN处理后的细菌细胞膜出现明显的破裂和损伤,表明其通过破坏细菌细胞膜来实现抗菌效果。这些结果表明,LHSQ-MN贴片具有广谱抗菌性,能够有效抑制口腔溃疡中的细菌感染。


图3 不同MN的抗菌性能的体外评价。(a)琼脂平板抗菌实验;(b-d)对S. aureus、E. coli和S. mutans的抗菌率;(e)通过扫描电子显微镜(SEM)观察S. aureus、E. coli和S. mutans的损伤情况

(4)不同MN贴片的毒性、增殖、迁移和血管生成

图4a-b的细胞增殖实验结果显示,LHSQ-MN贴片对HUVEC和HOK细胞的增殖具有显著促进作用,且LHSQ-MN组的增殖能力优于LHS-MN组。图4c-d的划痕实验表明,LHSQ-MN贴片能够显著促进HUVEC细胞的迁移,剩余划痕面积分别为原始面积的24.8%和31.1%。图4e-f的Transwell实验进一步证实了LHSQ-MN贴片对HUVEC细胞迁移的促进作用。图4g-h的血管生成实验显示,LHSQ-MN组形成了更多的管状结构,表明其具有良好的血管生成能力。


图4 MN的体外生物相容性。(a)与不同样品孵育后HUVEC在450 nm处的吸光度;(b)HOK细胞与不同样品孵育后在450 nm处的吸光度;(c)不同组的划痕面积分析;(d)划痕试验中HUVEC的迁移图像;(e)各组迁移细胞数分析;(f)transwell实验中HUVEC的结晶紫染色图像;(g)不同组HUVEC的血管生成图像;(h)HUVEC中的节点数量

(5)体外抗氧化特性

与不同浓度LHSQ孵育,ABTS自由基清除在734 nm处有UV吸光度(图5a),浓度为60μg/ mL 时,清除效率高达63.7%(图5d);DPPH自由基在525 nm附近有明显的紫外吸收峰(图5b),清除效率在60μg/ mL时达到71.7%(图5e);LHSQ对•OH的清除效率随其浓度的增加而增加,在浓度为60 μg/ mL时达到峰值69.1%(图5c,5f)。图5g-h,细胞内ROS水平检测结果显示,LHSQ-MN处理组的HOK细胞内ROS水平显著降低,接近正常细胞状态,表明LHSQ-MN能够有效减轻氧化应激。

(6)糖尿病口腔溃疡创面的体内愈合

图6a通过70%冰醋酸诱导大鼠口腔溃疡模型,LHS-MN和LHSQ-MN贴片作为实验组,商业西瓜霜(WF)作为阳性对照组,未处理组作为阴性对照组。图6b-d显示了治疗6天内溃疡面积的变化,LHSQ-MN组的溃疡愈合率在第4天达到73.9%,第6天达到97.3%,显著高于WF组和未处理组。图6e-h的HE和Masson染色结果显示,LHSQ-MN组在第3天和第6天的组织学评价中,炎症细胞减少,溃疡面积缩小,第6天几乎完全再生上皮和有序的胶原纤维。


图5 LHSQ在清除自由基和ROS方面的抗氧化特性。(a-f)不同浓度LHSQ对不同自由基的吸收曲线和清除能力;(g)HOK中ROS水平的荧光照片;(h)细胞内ROS水平的定量分析


图6 不同MN治疗糖尿病口腔溃疡的体内评价。(a)实验方案;(b)不同组粘膜愈合图;(c)粘膜愈合轨迹图;(d)创面愈合效率;(e, f)不同组的苏木精-伊红(HE)染色;(g, h)不同组的Masson染色

(7)组织学评价抗炎、再生粘膜、成血管细胞和巨噬细胞极化的评估

图7a的免疫组化染色结果显示,LHSQ-MN组在第6天的再生口腔黏膜中,角蛋白(CK13)的表达显著增加,表明上皮再生完全覆盖。图7b和c的免疫组化分析显示,LHSQ-MN组在第3天的IL-10表达显著增加,而TNF-α表达显著降低,表明其具有显著的抗炎效果。图7d的免疫荧光染色显示,LHSQ-MN组在第6天的CD31阳性新血管生成显著增加,表明其促进了血管生成。图7e的免疫荧光分析显示,LHSQ-MN组在第3天的M2巨噬细胞(Arg-1阳性)显著增加,而M1巨噬细胞(iNOS阳性)显著减少,表明其能够调节巨噬细胞极化,减少炎症反应。图7f-h的定量分析进一步证实了这些结果,表明LHSQ-MN贴片在治疗糖尿病口腔溃疡方面具有显著的疗效。


图7 组织学评价抗炎、再生粘膜、成血管细胞和巨噬细胞极化的评估。(a)CK13抗体免疫组化染色;(b)IL-10免疫组化染色;(c)TNF-α免疫组化染色;(d)CD31抗体的免疫荧光染色;(e)iNOS和Arg-1的免疫荧光染色;(f-h)CD31、iNOS和Arg-1在再生口腔黏膜中的表达水平定量

 研究小结 
本研究提出了一种基于聚谷氨酸(γ-PGA)的可溶性微针(MN)贴片,负载槲皮素(Qu)修饰的镁锌层状氢氧化盐纳米片(LHSQ),旨在重塑糖尿病口腔微环境以促进黏膜修复。研究实现了微针贴片的制备与表征,证实了其抗菌、促细胞增殖与迁移、抗氧化及抗炎性能,并在糖尿病大鼠口腔溃疡模型中验证了其治疗效果。本研究创新性地结合层状氢氧化盐与微针技术,为糖尿病口腔溃疡治疗提供了新策略。

LHSQ-MN贴片的抗菌性能为其在感染性伤口治疗中的应用提供了可能,其广谱抗菌效果可以有效预防和治疗感染。从细胞实验到动物实验,研究结果一致表明LHSQ-MN贴片能够促进细胞增殖、迁移和血管生成,加速伤口愈合。未来的研究可以进一步探索LHSQ-MN贴片在其他慢性伤口中的应用,以及其在人体临床试验中的安全性和有效性。同时,还可以研究不同浓度和配方的LHSQ对治疗效果的影响,以优化贴片的设计和制备工艺。


上一页:IF:15.8《ACS Nano》南京大学医学院附属医院周敏:用于血管周围基因递送和血管内膜增生治疗的多功能微针贴片
下一页:IF:13.2《Nano Today》南昌大学王小磊:受冰啤酒启发的多功能纳米酶快速清除血栓与长效氢气释放治疗缺血性卒中

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