水凝膠在糖尿病足潰瘍修復中的研究進展

陳思佳,張曉夢,胡正博,袁詩婷,朱炳祺

(浙江中醫藥大學 醫學技術與信息工程學院,浙江 杭州 310053)

糖尿病是一種慢性疾病,在世界范圍內發病率呈逐年增長的趨勢。根據研究表明,我國糖尿病患者約為1.4億,其中糖尿病足潰瘍(Diabetes Foot Ulcer,DFU)的發病率約為8.1%,其致死、致殘率約為20%,是糖尿病引發的嚴重并發癥之一。DFU的治療周期長、易合并感染、傷口難以愈合、致殘率高,不僅對患者的正常生活產生極大影響,而且病情的反復和惡化給患者帶來嚴重的身體創傷和沉重的經濟負擔。當前研究表明,臨床局部基礎治療DFU以清創為主,清創后使用新型敷料、負壓吸引治療或進行高壓氧治療促進傷口愈合[1]。水凝膠是一種具有三維網絡結構的親水性材料,其結構不僅可以適應創面的形態,而且能夠吸附滲出液并實現藥物遞送功能。水凝膠在DFU治療中所展現出的巨大的潛力,成為研究的熱點。本文分析了DFU的發病機制,總結了水凝膠敷料的結構設計,進一步討論了其在DFU修復中的應用,以期為治療DFU提供更為行之有效的思路。

1 DFU的發病機制

1.1 晚期糖基化終末產物堆積

糖尿病患者體內處于高糖狀態,容易導致晚期糖基化終末產物(Advanced Glycosylation end Products,AGEs)增加,進一步導致細胞受損或組織損傷。AGEs作用于細胞或組織有兩種機制:一是直接作用于蛋白質,使蛋白質的結構變形或交互聯接為大分子,引起神經、微血管損傷,導致其缺血、缺氧等;二是AGEs與細胞表面的糖基化終末產物受體(the Receptor of Advanced Glycation Endproducts,RAGE)結合,從而激活下游信號通路促使機體氧化應激水平升高、慢性炎癥產生[2],使得氧自由基(Reactive Oxygen Species,ROS)的產生和促炎因子釋放增多,蛋白質、核酸等生物大分子受到氧化性損傷,炎癥細胞大量彌漫在傷口的中心部位,延緩傷口愈合速度。Yu等[3]的研究發現,AGEs誘導氧化應激水平升高,ROS增多與NADPH氧化酶有關;MAPK、NF-κB等信號通路和NLRP3炎癥小體在AGEs與RAGE結合后被激活,刺激機體產生炎癥因子。

1.2 氧化應激水平升高

氧化應激水平升高與糖自氧化、蛋白質的非酶糖化、多元醇通路活化、蛋白激酶C活化等多種誘發因素有關,其中,蛋白質的非酶糖化形成AGEs是一大重要影響因素。AGEs與RAGE特異性結合使NADPH氧化酶激活,提高了機體內氧化應激水平[4]。機體的氧化應激水平可影響ROS的產生與釋放。少量的ROS可促進傷口的愈合,而在高ROS存在的狀態下,傷口的氧化還原反應失調,抗氧化能力減弱,細胞無法維持正常的功能,使傷口蔓延。許彪等[5]研究發現,ROS的過度釋放,損傷了血管組織,甚至導致細胞凋亡,是促進DFU發生的關鍵因素。Rahimi等[6]利用富含AGE的飲食誘導2型糖尿病小鼠,通過刺激Nrf1-Keap2信號通路從而下調氧化應激水平,緩解了糖尿病并發癥的病發程度。與此同時,氧化應激水平升高,也可促進多種信號分子釋放,加快炎癥反應的發展。

1.3 慢性炎癥

在高氧化應激水平下時,細胞與組織受到刺激,會釋放出細胞因子和趨化因子等信號,信號分子作用于炎癥通路或細胞(如巨噬細胞、中性粒細胞、T淋巴細胞等),促進慢性炎癥的產生。其次,糖尿病患者的傷口易感染病原體,使中性粒細胞和巨噬細胞聚集趨化,集中于傷口處釋放抗菌物質(如ROS等)殺滅病原體[7],ROS分泌增多。而氧化應激水平過高時,中性粒細胞炎性浸潤,蛋白酶分泌增加,產生大量氧化中間產物。因此,氧化應激反應可以激活炎癥反應,而炎癥反應也可以增加氧化應激的程度和持續時間,使傷口處于過度的炎癥中。在過度的炎癥反應期間,M1巨噬細胞促炎因子分泌異常,在殺滅病原體的同時,也會損傷正常的組織和細胞。且M2巨噬細胞極化受阻,無法正常分泌抑炎因子[8]。研究表明,過度的炎癥反應還與傷口感染有關,可能激活了NF-κB、JNK、PI3K等通路[9]。

1.4 傷口易感染

在糖尿病人長期慢性得不到控制的高糖環境下,有利于細菌的定植和繁育,導致糖尿病足潰瘍創面易出現持續的感染,加重炎癥反應。反復的感染和炎癥反應相互作用,使傷口遷延難愈。研究表明,糖尿病潰瘍傷口在早期被細菌感染時,核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(NLRP3炎性小體)、白細胞介素18、白細胞介素1β等指標含量增高,可促進炎癥因子的釋放、氧化應激水平升高等,導致內皮細胞損傷等[10]。其次,傷口上的病原微生物在藥物的治療下易出現耐藥性,其分泌的外毒素、血漿凝固酶等致病因子使細胞和組織受損,傷口得不到有效治療傷口蔓延。肖燁[11]研究表明,在糖尿病足潰瘍感染中主要的耐藥菌為金黃色葡萄球菌、大腸埃希菌、銅綠假單胞菌等,且隨著糖尿病足潰瘍患者Wagner分級升高,G+菌感染率降低,G-菌感染率升高。傷口感染而導致機體部分功能失調,傷口不能維持正常的創面微環境而延遲愈合速度。因此,感染是阻礙傷口愈合的重要因素。

綜上,DFU患者因體內持續高血糖狀態,傷口長期缺氧的刺激,從而導致晚期糖基化終末產物堆積、氧化應激水平升高、慢性炎癥反應和傷口感染等因素使細胞和組織受損,引起周圍神經和血管病變,導致DFU產生并致其遷延難愈,所以根據創面情況選用合適的傷口敷料對于促進糖尿病創面愈合至關重要。而傳統敷料存在著性能單一,本身易粘連、沒有生物活性、吸收力過強、易滲出等缺陷,容易造成傷口的二次破壞、感染,并不能有效促進DFU的愈合。水凝膠則以其良好的生物相容性、吸滲能力、良好的藥物遞送能力等優良性能在慢性傷口中展現了巨大的潛力。以下介紹了水凝膠的結構設計和在DFU中的應用,以期為糖尿病創面治療提供可借鑒的思路。

2 水凝膠的結構設計

水凝膠的結構設計決定著所制備的水凝膠的物理性能,進而影響藥物遞送。水凝膠的良好結構是水凝膠發揮自身功效的重要環節。根據水凝膠的交聯方式不同,可分為物理交聯、化學交聯、雙交聯及多重交聯水凝膠。

2.1 物理交聯水凝膠

物理交聯水凝膠在制備過程中不使用交聯劑,而是通過非共價鍵進行交聯,分子間相互作用力較弱,通常不如化學交聯穩定,易降解。相關研究發現制備物理交聯水凝膠的分子間相互作用力通常有:氫鍵、離子相互作用、疏水作用力等。

2.1.1 氫鍵

氫鍵通常指氫原子與電負性原子(N、H、O等)之間的靜電作用,它廣泛存在于自然界和生物體之中。經氫鍵交聯的水凝膠具有一定的可逆性,可保持疏松的結構,有利于藥物的遞送,因此也被應用于制備環境響應型水凝膠和自愈合水凝膠。Jing等[12]以氫鍵和靜電作用為基礎,制備了一種具有pH敏感性的海藻酸鈉/羧甲基殼聚糖水凝膠珠,擁有優異的環境適應能力和藥物遞送能力。且隨羧甲基殼聚糖含量增多,氫氧根增加,氫鍵數量上升,交聯結構更為穩定。通過氫鍵交聯的水凝膠易于成形,制作簡單,可在短時間內快速膠化,擁有良好的自愈性。Wang等[13]利用陽離子瓜爾膠(CG)和CuCl2同側羥基之間形成動態穩定的氫鍵,使得制備的水凝膠可注射、能適應不同傷口形狀,并表現出優異的抗菌能力,可促進傷口的愈合。因此,與金屬離子溶液中羥基作用形成的氫鍵抗菌性能更好、結構更穩定。

2.1.2 離子相互作用

離子相互作用是過渡金屬離子與親水基團的靜電吸引作用力,其可以與相應配體快速而可逆地結合與斷裂。通過離子間相互作用,可制備具有較好力學性能的自愈合水凝膠。Lin等[14]基于Fe3+與-OH間的離子相互作用力制得具有氧化還原活性和自愈合能力的PVA/PA/Fe3+(PPFe)交聯水凝膠。相較于普通PVA/PA水凝膠,制備的凝膠具有較好的力學性能、穩定性和自愈性。目前,Fe3+在離子相互作用交聯水凝膠的制備中應用較廣泛,且與-OH等親水基團結合可有效提高水凝膠的機械性能。可逆共價鍵快速轉換是評價水凝膠自愈合能力的重要指標,在一定速率范圍內,轉換速率越快,自愈合能力越優異。Lee等[15]以離子交聯為可逆共價鍵,在超聲的激發下,使解離鏈的流動性增強,轉換速率加快,表現出良好的自愈性。

2.1.3 疏水作用

疏水作用力使聚合物中的疏水結構單元與水分子相互排斥從而聚集形成膠束,大量膠束聚集交織形成物理交聯網絡的一種作用方式。何美玲等[16]通過共聚縮合反應,得到可自愈合的聚丙烯酰胺(PAM)水凝膠。實驗發現SMA含量越高,聚合物尺寸越大,水凝膠的網絡間隙越小,承受壓力強度越高。因此,疏水結構的摻入高分子鏈中,形成膠束可有效提高水凝膠的力學性能。水凝膠的組織黏附功能較差,可通過疏水作用使水凝膠改性,促使其穩定地黏附在傷口。Jiang等[17]研究表明,經疏水作用修飾后的水凝膠在液體中仍可維持自身形態,具有良好的穩定性,且比纖維蛋白膠黏附在組織上更牢固,是一種新型生物黏附水凝膠。傷口在自然環境中會受到溫度、細菌等的影響,使傷口呈現不同的形狀,表現出一定特性。肖堯予等[18]以聚丙烯酰胺基為基礎,利用疏水聚集開關動態作用,使其對pH值、溫度、電流敏感,并在熱誘導下,表現出記憶功能,可適應不同形狀傷口。

2.2 化學交聯水凝膠

化學交聯水凝膠是通過共價鍵將高分子鏈相互連接而產生的,一般需要交聯劑參與共價鍵的形成。由于共價鍵的鍵能較高,故合成的水凝膠力學性能較物理交聯好,不易降解。常見的幾種動態共價鍵包括:酰腙鍵、亞胺鍵、二硫鍵等。

2.2.1 酰腙鍵

酰腙鍵是一類較為穩定的共價化學鍵,其次氨基上的孤對電子通過共軛作用與羰基和亞胺基結合,結構緊密。通過酰腙鍵交聯的水凝膠通常擁有著優異的力學性能和自愈合性能,且在特定的環境下可發生降解。侯一凡等[19]利用醛基化海藻酸鈉與酰肼基聚乙二醇反應,制備出彈性和強度良好的動態共價交聯水凝膠,且其可以對pH進行響應,在酸性條件下降解為溶膠。何元等[20]利用丙烯酰胺、雙丙酮丙烯酰胺、N-異丙基丙烯酰胺通過加成反應從而形成共聚物后,再與己二酸二酰肼反應,制備的水凝膠擁有溫度/pH雙重響應釋放,且在溫度的調控下,自愈合性良好。Xiao等[21]利用酰腙鍵與聚乙二醇相互交聯,制備了纖維素納米復合水凝膠,二者相互交聯增強了機械性能并且能快速自愈合。

2.2.2 亞胺鍵

動態亞胺鍵的形成是通過將胺和醛或酮反應生成亞胺的反應。亞胺鍵的形成,可以用于構建水凝膠復雜的結構,使水凝膠具有高效、穩定、良好的藥物遞送的性能。Sharma等[22]研究利用巴豆醛的醛基與殼聚糖的氨基形成動態亞胺鍵,實現了水溶性藥物的快速遞送,成為水凝膠藥物遞送及快速自修復最具潛力的動態共價鍵。除此以外,以亞胺鍵為動態共價鍵的水凝膠還具有出色的流變性能、高溶脹率和抗菌能力,可有效吸收傷口滲出液。Yu等[23]將O-羧甲基殼聚糖與水溶性含動態共價鍵的聚合物交聯合成雙亞胺鍵水凝膠,其具有更大的孔徑和儲存量,是傷口敷料的優良供體。Pogostin等[24]通過氧化免疫刺激性多域肽水凝膠從而形成亞胺鍵,增強了免疫刺激性多域肽水凝膠的力學性能和自愈性能。因此,可通過氧化作用增強水凝膠的自愈合性。

2.2.3 二硫鍵

水凝膠中二硫鍵可由氧化反應、酶促反應、光聚合反應、水解反應等催化而成。因其可注射,可適應不同的傷口形狀,且可對環境產生響應,使巰基-二硫鍵兩鍵快速交換產生快速的自修復,因而被廣泛應用于傷口的自愈合修復之中。Wang等[25]以聚乙二醇接枝聚甲基丙烯酸乙酯衍生物P(EMA-SS-PEG)為原料,以二硫鍵為接枝點,制備了一種光觸發的自愈性水凝膠。經過測試,該水凝膠可在正常環境之中10 min形成自愈。蘭皓月[26]基于配位作用和巰基-二硫鍵兩鍵動態交換為基礎,提出了一種抗菌銀水凝膠的快速制備方法,掃描電子顯微鏡表示,銀可均勻分布在水凝膠各個部分之中,且巰基-二硫鍵的作用,使水凝膠可以實現鍵能的動態交換,具有自愈合性。

2.3 雙交聯及多重交聯水凝膠

雙交聯及多重交聯水凝膠是由兩種或兩種以上的交聯結構組成的水凝膠,可由多重非共價鍵相互作用、不同共價鍵互相交聯或非共價鍵與共價鍵互相交聯,在不同程度上彌補各自的缺點,增強了水凝膠的性能,使其適應不同環境的能力增強。單一水凝膠存在著藥物釋放過快、缺少智能響應性等缺點,因此喬麗媛[27]制備了含酰腙鍵與氫鍵的可逆動態雙交聯水凝膠,實現了藥物的穩定負載和緩釋,并且具備良好的自愈能力。與此同時,研究之中還通過引用酰肼類交聯劑制備多重交聯水凝膠優化雙交聯水凝膠的性能。Liu等[28]以亞胺鍵和硼酸鹽酯鍵相交聯為具有雙網絡結構的水凝膠,使其具有優異的力學性能,并在自然環境下就可發揮自愈能力。目前多重交聯水凝膠發展潛力良好,其性能仍有待開發。

3 水凝膠敷料在DFU中的應用

水凝膠的制備方式多樣,且可以根據傷口不同的類型制備適合的敷料,且良好的藥物遞送能力可以在傷口愈合的不同階段發揮良好的功效。糖尿病足潰瘍創面表現為易于感染、創面過度的炎癥反應、生長因子釋放受阻、組織細胞增殖緩慢等。水凝膠其獨特的特性可發揮抗菌、抗炎、加速創面細胞增殖和遷移等功效,促進創面愈合。

3.1 水凝膠在創面抗氧化的應用

糖尿病患者由于體內高氧化應激水平,使ROS釋放過多,傷口內皮細胞無法正常清除氧化物,導致自身細胞氧化損傷,使血管、神經壞死。因此,去除傷口的ROS是促進DFU愈合的關鍵因素。水凝膠可以自身優異結構負載除ROS的物質,以此達到抗氧化的效果。丁秋月[29]研究發現,Ag-S鍵為基礎制備的多功能可注射水凝膠,可有效減少細胞的氧化損傷,提高細胞的抗氧化能力,促進傷口愈合。Yang等[30]研究發現,透明質酸和膠原蛋白以水凝膠為載體,可實現自身的抗氧化功能,促進血管生成和膠原沉淀。除此以外,單寧酸水凝膠也可調節創面的氧化應激狀態。Zeng等[31]使用單寧酸水凝膠治療傷口后,通過測定傷口的自由基和ROS可發現,傷口氧化物質顯著減少,是臨床上抗氧化、促傷口愈合具有潛力的敷料。目前抗氧化水凝膠仍具有一定的不足之處,如黏附力不強等。抗氧化水凝膠在治療慢性傷口展現了自身優勢,并為開發新型水凝膠提供了一條可借鑒的思路。

3.2 水凝膠在創面抗菌的應用

DFU的高血糖環境為細菌定植、生長提供了條件,從而細菌不斷滋生,導致潰瘍蔓延、傷口延遲愈合。相較于普通敷料,水凝膠敷料有更好的抑菌性,可以依靠自身的理化結構或搭載抑菌劑與細菌相互作用而產生抗菌性能,避免高糖環境帶來的細菌滋生。謝間英等[32]通過使用不同種類敷料對糖尿病足潰瘍患者進行治療,對照組使用傳統換藥方法,實驗組使用含銀離子水凝膠,研究發現實驗組的抗菌能力更為顯著。Hanton等[33]以葡聚糖和殼聚糖為原料,通過在醛和氨基之間形成亞胺鍵制備得到水樣凝膠,對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、化膿桿菌和白細胞桿菌具有抗菌活性。但這些單一的抗菌水凝膠存在著抗菌周期短和易使細菌產生耐藥性的缺點。因此,具有廣譜抗菌效果和持久抗菌活性的光熱響應性抗菌水凝膠成為研究者關注的一大熱點。此類水凝膠通常以破壞細菌的生物膜來實現抑菌作用。Wang等[34]研究制備了一種Gel/PL@Fe3+TA水凝膠,該水凝膠引入Fe3+TA納米顆粒,通過激光照射觸發光熱效應來達到抗菌的效果。且水凝膠與水凝膠協同光熱抗菌處理后的細菌由光滑、全表面變為表面褶皺,甚至萎縮破裂,表現出嚴重的膜損傷和細胞質滲漏。

3.3 水凝膠在創面抗炎的應用

DFU創面易引起感染,導致免疫系統受到破壞、炎性因子大量釋放,使得創面的炎癥反應更加強烈,持續時間延長。嚴重的炎癥反應可能會導致傷口化膿,潰爛至深層組織。因此,對炎癥反應的調節成為DFU治療的關鍵環節。減少促炎M1巨噬細胞,增加抗炎M2巨噬細胞,是降低炎癥反應的一大難題。Zeng等[35]研究表明,miR-29ab1增高可延長糖尿病小鼠M1巨噬細胞極化并使TNF-α和IL-1β水平升高。通過殼聚糖與葛根素共混制備的水凝膠可抑制miR-29ab1介導的炎癥軸,可促進糖尿病傷口的愈合。蔡雪芹[36]合成了一種與細胞外基質結構相似的新型水凝膠敷料,通過敷料上包被的白細胞介素4(IL-4)調控高糖環境下巨噬細胞,誘導其分化為抗炎M2巨噬細胞。通過調節與炎癥相關的信號通路與炎癥小體也可調節炎癥反應強度,促進糖尿病創面愈合。Zhou等[37]發現,蝸牛糖胺聚糖/甲基丙烯酸化明膠水凝膠可通過結合炎性細胞因子來減少其在傷口組織中的積累,并通過調控NF-κB通路以抑制炎性細胞因子的表達,從而治療性地緩解慢性傷口中的炎癥。Zhou等[38]制備了與氧化石墨烯(GO)結合的甲基丙烯酸酯明膠水凝膠(Gel-MA),并與負載二甲雙胍的介孔有機硅納米球進行并光交聯,構建的納米復合水凝膠(MGO@GM)可下調NLRP3炎癥小體并抑制中性粒細胞外誘捕網(NETs)的形成,降低炎癥反應,促進糖尿病傷口愈合。

4 總結與展望

皮膚是人類重要的保護屏障,而DFU這類高感染性傷口破壞了皮膚結構,嚴重影響了人們的正常生活。而傳統敷料并沒有生物活性,作用單一,易粘連傷口,不能提供一個很好的微環境來支持DFU愈合,致使其臨床治愈率不高,復發率較高。隨著醫療診斷手段的不斷發展,使用新型材料制作敷料日益增多。而研究新型水凝膠敷料,就是為了彌補傳統醫用敷料的不足,優化敷料性能,給創面以合適的愈合環境,達到吸收創面滲出物、避免細菌感染等防護功能,促使細胞增殖與遷移,加快創面愈合。

本文重點探討了DFU的發病機制、水凝膠敷料的結構設計以及在促DFU愈合中的應用潛力,指出了水凝膠敷料在DFU的治療中彌補了傳統敷料的缺陷,希望為未來DFU的治療提供系統的理論支持。現DFU仍是難以治愈的臨床疾病,面對著許多風險與挑戰,需要研制出具有多重應用價值的醫用敷料。而水凝膠的開發仍存在著技術壁壘,存在著許多缺陷。為做好傷口治療后防護,實現皮膚的重塑與修復,水凝膠的潛力仍靜待開墾。