《AHM》山西医科大学口腔医院：水凝胶促进糖尿病创面修复！

摘要

为应对糖尿病慢性创面中持续炎症、巨噬细胞代谢失衡及炎症期向修复期转换受阻等关键问题，山西医科大学口腔医学院/医院Bing Li与Xiuping Wu团队提出SCAP-Exo集成CA/HACC复合水凝胶策略。该团队以羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖（HACC）和柠檬酸（CA）为基础，通过EDC/NHS介导的酰胺键交联构建可注射、黏附、自愈合且多孔的水凝胶网络，并负载根尖乳头干细胞来源外泌体（SCAP-Exo），实现外泌体在创面局部的稳定滞留与持续释放。该体系兼具良好生物相容性、促成纤维细胞增殖迁移、降低炎症和诱导巨噬细胞由M1向M2表型转变等功能，其核心机制与外泌体富集miR-122-5p并抑制HIF-1α/糖酵解相关通路有关。体内糖尿病创面模型进一步证明其可加速创面闭合、促进肉芽组织形成、胶原沉积和再上皮化。相关论文以“SCAP-Exo-Integrated CA/HACC Hydrogel Promotes Diabetic Wound Repair via miR-122-Driven Macrophage Phenotypic Transition”为题，发表在Advanced Healthcare Materials上。

图文信息

图1

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图1 中文图注：载SCAP-Exo的CA/HACC水凝胶促进糖尿病创面愈合中巨噬细胞表型转换以及成纤维细胞增殖和迁移的治疗机制示意图。

图2

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图2 中文图注：SCAP-Exos的分离与表征。（A）SCAP-Exo分离和提取示意图。（B）第0代和第5代SCAPs的代表性图像（比例尺 = 200 µm）。（C）SCAP-Exos的TEM图像（比例尺 = 100 nm）。（D）外泌体标志物和细胞标志物的Western blot分析。（E）通过NTA测定的外泌体粒径分布和平均直径。（F）SCAP表面标志物的流式细胞术分析（阳性：CD29、CD44、CD73；阴性：CD34、CD45、HLA-DR）。

图3

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图3 中文图注：Exo/CA/HACC水凝胶的制备与表征。（A）Exo/CA/HACC水凝胶制备示意图。（B）凝胶化前（左）和凝胶化后（右）水凝胶的照片。（C）用红色染料可视化水凝胶的可注射性和可打印性。（D）水凝胶的自愈合性能。（E）水凝胶在皮肤和器官表面的黏附情况。（F）CA/HACC水凝胶的黏附性能测试。（G）流变学表征：自上而下依次为频率依赖性储能模量（G′）和损耗模量（G″）；破坏性剪切与恢复条件下的自愈合行为；剪切变稀行为；屈服应力。（H）CA/HACC水凝胶的SEM图像（比例尺 = 100 µm和50 µm）。（I）CA/HACC水凝胶中Exos的体外释放曲线（n = 3）。

图4

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图4 中文图注：SCAP-Exos对巨噬细胞和成纤维细胞的影响。（A）通过激光共聚焦显微镜观察L929对PKH26（红色）标记SCAP-Exo的摄取，比例尺 = 25 µm。（B）SCAP-Exos在高糖条件下对巨噬细胞极化的影响，显示M1标志物（CD86、iNOS）和M2标志物（CD206、Arg-1）。（C）免疫荧光检测与3D Plot分析的代表性图像（蓝色 = DAPI，绿色 = iNOS/CD206/HIF-1α；比例尺 = 25和50 µm）。（D）L929细胞增殖的CCK-8检测。（E）各组L929细胞活/死染色的代表性荧光图像。（F）L929迁移实验示意图。（G）各组L929 transwell迁移的代表性图像及（H）相应定量分析（比例尺 = 100 µm）。（I）L929划痕实验的代表性图像（比例尺 = 500 µm）。（J）不同时间点各组划痕闭合的定量分析。

图5

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图5 中文图注：糖尿病创面愈合的体内评价。（A）糖尿病大鼠模型建立和水凝胶治疗的示意图。（B）创面愈合过程中大鼠的血糖水平。（C）各组在选定时间点的创面代表性数码图像。（D）创面面积随时间的变化。（E）各组H&E染色和Masson三色染色的代表性图像（比例尺 = 1000 µm和100 µm）。（F）第7天和第14天创面部位的创面长度（n = 3）。（G）第14天创面部位的上皮厚度（n = 3）。（H）治疗后第7天再生组织中巨噬细胞iNOS和Arg-1染色的免疫荧光图像及3D Plot分析（比例尺 = 50 µm）。（I）第14天再生组织中巨噬细胞HIF-1α染色的免疫荧光图像；绿色：HIF-1α；蓝色：DAPI（比例尺 = 50 µm）。

图6

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图6 中文图注：SCAP-Exos的miRNA谱分析及miR-122-5p的功能验证。（A）火山图显示SCAP-Exo中下调和上调的miRNA。（B）热图展示SCAP-Exo相较于SCAP中上调幅度最高的10种miRNA；橙色和蓝色分别表示高表达和低表达。（C）围绕miR-122-5p的靶基因预测网络。（D）miR-122-5p的GO富集分析。（E）miR-122-5p的KEGG富集分析。

图7

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图7 中文图注：SCAP-Exos的miRNA谱分析及miR-122-5p的功能验证。（A）qRT-PCR分析SCAP和SCAP-Exo中miR-122-5p的表达，并分析RAW264.7中miR-126-5p的表达。（B）与SCAP-Exo孵育8 h后，通过qRT-PCR检测RAW264.7中miR-122-5p的表达水平。（C）转染miR-122-5p mimics后，巨噬细胞表型基因（CD86、CD206、iNOS、Arg-1）的表达。（D）DCFH-DA荧光探针检测和3D Plot分析转染miR-122 mimics的RAW264.7中活性氧（ROS）水平（比例尺 = 50 µm）。（E）代表性免疫荧光染色图像显示DAPI（蓝色）和HIF-1α（绿色）的表达（比例尺 = 50 µm）。（F）生物信息学预测和双荧光素酶报告基因系统的靶序列证明miR-122-5p序列与野生型HIF-1α（HIF-1α-WT）的结合关系。（G）qPCR分析转染miR-122-5p mimics后巨噬细胞中HIF-1α、GLUT1和LDHA的表达水平。（H）miR-122-5p mimic和HIF-1α抑制对巨噬细胞炎症极化的影响。（I）miR-122-5p mimic和HIF-1α抑制对糖酵解相关基因的影响。

图8

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图8 中文图注：来源于SCAP-Exo的miR-122-5p可能参与调控巨噬细胞表型分化的信号通路。

一、 解决 的科学问题

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研究动机： 糖尿病创面常伴随高糖、氧化应激、过度炎症和血管网络受损等复杂病理微环境，其中炎症期长期滞留是导致创面难愈合的重要原因。该研究聚焦慢性糖尿病创面中巨噬细胞持续 M1 样激活、修复性 M2 转换不足以及成纤维细胞功能受抑的问题，旨在通过局部免疫调控和材料递送 策略 重建有利于组织修复的微环境。

前人工作瓶颈： 现有全身降糖治疗主要改善血糖水平，难以直接解决创面局部免疫紊乱； 传统 清创、负压治疗和普通敷料操作复杂且疗效有限。 直接注射外泌体又存在半衰期短、靶向性不足、释放动力学不可控和局部滞留能力差等问题，限制了其在慢性创面治疗中的转化应用。

本工作的解决方案： 研究构建了由 CA 交联 HACC 形成的复合 水凝胶 ，并将 SCAP-Exo 整合其中，利用 HACC 的阳离子特性、抗菌潜力和亲水性，结合 水凝胶 的多孔网络、黏附性、剪切变稀、自愈合及持续释放能力， 实现 外泌体在糖尿病创面部位的局部递送和长效作用。

引出关键问题： 该工作回应了“如何在糖尿病创面中同步 实现 外泌体稳定递送、炎症代谢重编程和组织再生促进”的核心科学问题，并将 miR-122-5p/HIF-1 α/糖酵解轴明确为 SCAP-Exo 调控巨噬细胞表型转换的重要机制。

二、创新点

提出 了 SCAP-Exo 集成 CA/HACC水凝胶 用于糖尿病创面修复的材料 策略 ，将根尖乳头干细胞外泌体与可注射、黏附、自愈合的 HACC 基 水凝胶 结合， 实现 外泌体局部滞留、持续释放与创面免疫微环境调控。

创新性地将牙源性干细胞外泌体用于糖尿病创面免疫代谢干预，利用 SCAP-Exo 携带的多组分活性货物调节巨噬细胞炎症表型，并间接促进成纤维细胞增殖和迁移。

系统阐明了 SCAP-Exo 富集 miR-122-5p 并通过靶向 HIF-1 α抑制糖酵解相关基因 GLUT1 和 LDHA 表达，从而削弱 M1 炎症代谢程序、促进 M2 修复表型转换的机制。

将材料结构功能与外泌体 miRNA 生物调控机制相结合，证明 Exos/CA/HACC 不仅是物理创面覆盖材料，更是可重塑“代谢-炎症-迁移”轴的免疫调控型再生敷料。

三、合成 策略

材料原料： 羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖（ HACC ）、柠檬酸（ CA ）、 N -( 3 -二甲氨基丙基)- N ’-乙基碳二亚胺盐酸盐（ EDC ）、 N -羟基琥珀酰亚胺（ NHS ）、根尖乳头干细胞来源外泌体（ SCAP-Exo ）等。

合成策略： 先将 HACC 溶于去离子水，再加入 CA ，经 EDC/NHS 介导羧基与氨基反应形成酰胺键交联网络；反应后经无水乙醇洗涤和去离子水冲洗，并在冲洗过程中引入 SCAP-Exo ，得到外泌体负载的 Exos/CA/HACC水凝胶 。

合成机理关键词： EDC/NHS 偶联、酰胺键交联、阳离子壳聚糖衍生物网络、动态可逆交联、自愈合、多孔结构、外泌体物理负载与持续释放。

材料性能优势： 该 水凝胶 具有良好的凝胶化、可注射性、可打印性、组织黏附性、自愈合能力、剪切变稀行为、适宜孔隙结构和外泌体持续释放性能，并保持良好细胞相容性。

应用领域简写： 糖尿病创面修复（ DW ）、慢性创面敷料（ WD ）、外泌体递送（ Exo delivery ）、免疫调控再生医学（ IRM ）、皮肤组织工程（ STE ）。

四、主要性能与结构设计归因

主要性能表现： Exos/CA/HACC 在体外可促进 L929 成纤维细胞增殖和迁移，在高糖环境下抑制巨噬细胞 M1 标志物 CD86 和 iNOS ，上调 M2 标志物 CD206 和 Arg-1 ，并降低 HIF-1 α相关炎症信号。

性能支撑机制： SCAP-Exo 可被靶细胞有效摄取，向巨噬细胞递送富集 miR-122-5p；miR-122-5p 直接作用于 HIF-1 α 3′UTR ，降低 HIF-1 α、 GLUT1 和 LDHA 表达，抑制糖酵解和 ROS 积累，从代谢源头削弱 M1 炎症程序。

结构/原料设计赋能： HACC 引入季铵盐阳离子基团，增强水溶性、组织相互作用和潜在抗菌能力； CA 交联形成稳定三维网络，多孔结构有利于外泌体装载、营养交换和代谢废物排出； 水凝胶 黏附性可增强创面局部滞留。

次要性能表现： 材料表现出剪切变稀、可注射、可打印、自愈合和适度组织黏附等特征，能够适应不规则皮肤缺损并降低敷料移除时的二次损伤风险。

机理支撑： 动态可逆交联赋予材料自愈合和结构恢复能力；剪切变稀行为使其在注射时黏度降低、成形后维持覆盖； 水凝胶 降解释放过程延长外泌体作用时间，避免单次给药导致的快速流失。

结构/原料归因： HACC 的阳离子特性可与组织表面阴离子组分形成静电相互作用， CA/HACC 交联网络则提供力学稳定性和湿润微环境，二者共同支撑创面敷料固定、局部递送和生物活性维持。

五、材料应用场景与性能表现

材料综合特性汇总： Exos/CA/HACC 兼具湿润覆盖、局部黏附、持续释放、细胞相容、促迁移、促增殖和免疫代谢调控等多重特性，可作为糖尿病慢性创面的功能性 水凝胶 敷料。

典型应用方向： 该材料主要面向糖尿病皮肤缺损、慢性炎症性创面、外泌体递送型再生敷料以及需要免疫微环境重塑的皮肤组织工程场景。

具体表现指标： 水凝胶SEM 显示约 50 µ m 尺度的均一多孔结构；体外释放实验显示其可持续释放外泌体； L929 活/死染色中各组细胞活率超过 95 %； Transwell 实验中 Exos/CA/HACC 组迁移细胞数约为对照组的 2 倍；划痕实验显示该组在 24 h 创面闭合率最高并在 48 h 接近完全闭合；体内 18 mm 全层糖尿病创面模型中，该组在 14 d 时接近完全愈合，并伴随更低炎症浸润、更有序组织结构、更多胶原沉积和 M2 型巨噬细胞增加。

六、研究意义与潜在应用

研究成果的核心贡献： 该研究构建了一种 SCAP-Exo 功能化 CA/HACC 复合 水凝胶 ，证明其可通过材料递送与外泌体 miRNA 调控 协同 促进糖尿病创面修复。

科学或工程意义： 工作将慢性创面治疗从单纯覆盖保护推进到免疫代谢微环境精准调控层面，揭示 miR-122-5p/HIF-1 α/糖酵解轴在巨噬细胞表型转换中的作用，为外泌体 水凝胶 材料设计提供了机制依据。

潜在拓展应用领域： 该体系可进一步拓展至慢性炎症创面、感染风险创面、皮肤组织工程、牙源性干细胞外泌体治疗、局部 miRNA 递送平台和免疫调节型再生医学材料开发。

七、全文关键词

凝胶种类： 外泌体负载 水凝胶·HACC 基 水凝胶·CA/HACC 复合 水凝胶 ·可注射 水凝胶 ·黏附 水凝胶 ·自愈合 水凝胶 。

机理： EDC/NHS 交联·酰胺键形成·持续释放·外泌体递送· miR-122-5p 调控· HIF-1 α抑制·糖酵解重编程· ROS 降低·巨噬细胞 M2 极化·免疫代谢调控。

性能： 可注射性·可打印性·组织黏附性·自愈合性·剪切变稀·多孔结构·生物相容性·促成纤维细胞迁移·促成纤维细胞增殖·抗炎·促胶原沉积·促再上皮化。

应用： 糖尿病创面修复·慢性创面敷料·皮肤组织工程·外泌体递送·免疫调控治疗·再生医学。

DOI: 10.1002/adhm.71338。