在利用有机小分子,特别是来源于天然产物的小分子的自组装超分子水凝胶的的开发已经取得了重大进展,超分子天然产物凝胶(NPGs)是在特定条件下,通过从中药等天然来源获得的小分子代谢物自组装而形成的,它已成为一种很有前途的可扩展和可调节药物传递系统的生物材料,这些凝胶具有生物相容性、生物降解性和模拟细胞外基质的能力。作为一个新兴领域,目前对这些基于天然产物的NPGs的研究主要集中在发现新的NPGs和探索其在自组装前后的生物活性,鉴于这些NPGs在生物工程和临床医学中的应用越来越多,发现新的NPGs和探索新的组装模式是很重要的。而丹酚酸B(SAB)是来源于中国传统药材丹参,是其最丰富和活性的水溶性成分,它具有抗氧化、抗纤维化和血管生成等多种有益特性,尽管SAB具有宝贵的生理功能,但它尚未被探索用于水凝胶的制备,其高水溶性限制了其在体外的局部应用,因此可以开发一种含有SAB的水凝胶,以利用其生物活性用于伤口管理。
本研究中使用的两个小分子的结构如图1所示,分子1作为凝胶形成分子的前体,在酶促去磷酸化后能够形成水凝胶。重要的是,分子1和SAB均未在pH为7.4的磷酸盐缓冲盐水(PBS)中单独形成水凝胶,而有趣的是,在分子1的溶液中加入SAB后,一种水凝胶(称为1&SAB凝胶)自发形成,无需任何加热-冷却循环。同时研究团队发现,1&SAB凝胶的pH约为6.0,与正常人类皮肤的pH非常相似,表明其适合于与皮肤相关的进一步应用研究。
研究团队为了评估各个成分和 1&SAB 凝胶的生物相容性,进行了MTT测定,以评估正常细胞的细胞活力,其结果表明SAB可能具有拯救细胞的能力。虽然确切的机制细节仍然难以捉摸,但一个合理的解释可能是:由1 和 SAB 形成的组件创建了一个保护性微环境。这种微环境可能会起到减轻细胞直接暴露于高浓度 1 的作用,可能对 1 的有害影响提供屏蔽效应,从而导致观察到的细胞相容性增强。此外,为了确认 1&SAB 凝胶的生物相容性,并采用死染色来评估接种到水凝胶表面后的细胞活性,在荧光显微镜下,活细胞通过绿色荧光显现,而死细胞通过红色荧光显现,其结果显示,水凝胶表面的大多数NHDF细胞呈现绿色荧光并保持正常的细胞形态,与对照组相似,表明它们在治疗应用中具有高度相容性。
将PBS、1、SAB和1&SAB放入大肠杆菌培养溶液中,以评估其抗菌性能,测定了不同样品培养的细菌的光密度(OD600)值,24 h后也提取少量的细菌溶液用于琼脂平板实验,各种实验结果表明,1&SAB水凝胶对大肠杆菌具有高效和持久的抑制作用。
激活的免疫系统过量产生活性氧(ROS)会导致伤口环境中氧化应激增加,是慢性伤口愈合挑战的重要因素。研究团队假设1&SAB凝胶在伤口时可以清除自由基并利用ABTS方法测定其总抗氧化能力,然后利用过氧化氢刺激了细胞中的氧化应激反应,并评估了细胞活力,其结果表明,1&SAB具有强大的抗氧化活性,可以消除伤口周围过量的ROS,有助于伤口愈合。
在以上各种结果中突出了1&SAB凝胶的多功能特性,譬如其促进细胞迁移、增强抗氧化能力等,基于这些发现,研究团队推测1&SAB凝胶能有效地促进伤口愈合。然后为了验证这一假设,团队采取了全层伤口模型(图4所示),从图片可以直观地看出1&SAB凝胶组在15天的治疗期间表现出伤口愈合速度最快并在第6天愈合速度最快。
在搜集的H&E染色的组织样本(图5A)中可以看出第6天的皮肤伤口和第16天的凝胶组显示出伤口尺寸更小而且有完全的重塑,没有任何中间的结痂,这些结果表明,1&SAB凝胶的应用加速了上皮化。同时,团队还采用了马松三色染色来评估伤口愈合过程中的胶原沉积(图5B),第16天对CD31(红色)和细胞核(蓝色)进行免疫荧光染色,以评估血管化。(图5C),通过量化数据,可以直观地看出1&SAB凝胶的优秀性能。
通过本次研究,研究团队确实成功的开发出了一种新型的水凝胶名为1&SAB,它具有优异的流变性能、强粘附性、强生物相容性和较强的抗氧化能力。应用于皮肤伤口后,水凝胶有效释放SAB,加速伤口愈合,减少疤痕形成,同时最后提出实验应当结合实际应用,研究团队展望该物质在慢性伤口上的治疗并且通过此次研究能够为中医药在此领域的应用提供新的途径。
史俊峰,湖南大学生命医学交叉研究院教授/博士生导师,国家高层次青年人才、湖南省杰青。博士毕业于Brandeis University 化学系(2009-2015),毕业后进入美国国立癌症研究所(NCI,NIH)从事博士后工作。2019年9月加入湖南大学。长期从事多肽医药工程的研究工作,在Nat. Nanotechnol.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. In. Ed.等国际高水平杂志上发表论文66篇,引用次数近5000次,H-index为33(Google Scholar),成果多次被美国国家媒体C@EN报道,并参与1部英文专著撰写。申请及获批的专利9个,其中PCT专利2个,获授权美国专利1个。目前主持包括国家自科基金、湖南省科技创新人才计划、生物医药公司横向项目10余项。
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