水凝胶在糖尿病足溃疡修复中的研究进展

陈思佳,张晓梦,胡正博,袁诗婷,朱炳祺

(浙江中医药大学 医学技术与信息工程学院,浙江 杭州 310053)

糖尿病是一种慢性疾病,在世界范围内发病率呈逐年增长的趋势。根据研究表明,我国糖尿病患者约为1.4亿,其中糖尿病足溃疡(Diabetes Foot Ulcer,DFU)的发病率约为8.1%,其致死、致残率约为20%,是糖尿病引发的严重并发症之一。DFU的治疗周期长、易合并感染、伤口难以愈合、致残率高,不仅对患者的正常生活产生极大影响,而且病情的反复和恶化给患者带来严重的身体创伤和沉重的经济负担。当前研究表明,临床局部基础治疗DFU以清创为主,清创后使用新型敷料、负压吸引治疗或进行高压氧治疗促进伤口愈合[1]。水凝胶是一种具有三维网络结构的亲水性材料,其结构不仅可以适应创面的形态,而且能够吸附渗出液并实现药物递送功能。水凝胶在DFU治疗中所展现出的巨大的潜力,成为研究的热点。本文分析了DFU的发病机制,总结了水凝胶敷料的结构设计,进一步讨论了其在DFU修复中的应用,以期为治疗DFU提供更为行之有效的思路。

1 DFU的发病机制

1.1 晚期糖基化终末产物堆积

糖尿病患者体内处于高糖状态,容易导致晚期糖基化终末产物(Advanced Glycosylation end Products,AGEs)增加,进一步导致细胞受损或组织损伤。AGEs作用于细胞或组织有两种机制:一是直接作用于蛋白质,使蛋白质的结构变形或交互联接为大分子,引起神经、微血管损伤,导致其缺血、缺氧等;二是AGEs与细胞表面的糖基化终末产物受体(the Receptor of Advanced Glycation Endproducts,RAGE)结合,从而激活下游信号通路促使机体氧化应激水平升高、慢性炎症产生[2],使得氧自由基(Reactive Oxygen Species,ROS)的产生和促炎因子释放增多,蛋白质、核酸等生物大分子受到氧化性损伤,炎症细胞大量弥漫在伤口的中心部位,延缓伤口愈合速度。Yu等[3]的研究发现,AGEs诱导氧化应激水平升高,ROS增多与NADPH氧化酶有关;MAPK、NF-κB等信号通路和NLRP3炎症小体在AGEs与RAGE结合后被激活,刺激机体产生炎症因子。

1.2 氧化应激水平升高

氧化应激水平升高与糖自氧化、蛋白质的非酶糖化、多元醇通路活化、蛋白激酶C活化等多种诱发因素有关,其中,蛋白质的非酶糖化形成AGEs是一大重要影响因素。AGEs与RAGE特异性结合使NADPH氧化酶激活,提高了机体内氧化应激水平[4]。机体的氧化应激水平可影响ROS的产生与释放。少量的ROS可促进伤口的愈合,而在高ROS存在的状态下,伤口的氧化还原反应失调,抗氧化能力减弱,细胞无法维持正常的功能,使伤口蔓延。许彪等[5]研究发现,ROS的过度释放,损伤了血管组织,甚至导致细胞凋亡,是促进DFU发生的关键因素。Rahimi等[6]利用富含AGE的饮食诱导2型糖尿病小鼠,通过刺激Nrf1-Keap2信号通路从而下调氧化应激水平,缓解了糖尿病并发症的病发程度。与此同时,氧化应激水平升高,也可促进多种信号分子释放,加快炎症反应的发展。

1.3 慢性炎症

在高氧化应激水平下时,细胞与组织受到刺激,会释放出细胞因子和趋化因子等信号,信号分子作用于炎症通路或细胞(如巨噬细胞、中性粒细胞、T淋巴细胞等),促进慢性炎症的产生。其次,糖尿病患者的伤口易感染病原体,使中性粒细胞和巨噬细胞聚集趋化,集中于伤口处释放抗菌物质(如ROS等)杀灭病原体[7],ROS分泌增多。而氧化应激水平过高时,中性粒细胞炎性浸润,蛋白酶分泌增加,产生大量氧化中间产物。因此,氧化应激反应可以激活炎症反应,而炎症反应也可以增加氧化应激的程度和持续时间,使伤口处于过度的炎症中。在过度的炎症反应期间,M1巨噬细胞促炎因子分泌异常,在杀灭病原体的同时,也会损伤正常的组织和细胞。且M2巨噬细胞极化受阻,无法正常分泌抑炎因子[8]。研究表明,过度的炎症反应还与伤口感染有关,可能激活了NF-κB、JNK、PI3K等通路[9]。

1.4 伤口易感染

在糖尿病人长期慢性得不到控制的高糖环境下,有利于细菌的定植和繁育,导致糖尿病足溃疡创面易出现持续的感染,加重炎症反应。反复的感染和炎症反应相互作用,使伤口迁延难愈。研究表明,糖尿病溃疡伤口在早期被细菌感染时,核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(NLRP3炎性小体)、白细胞介素18、白细胞介素1β等指标含量增高,可促进炎症因子的释放、氧化应激水平升高等,导致内皮细胞损伤等[10]。其次,伤口上的病原微生物在药物的治疗下易出现耐药性,其分泌的外毒素、血浆凝固酶等致病因子使细胞和组织受损,伤口得不到有效治疗伤口蔓延。肖烨[11]研究表明,在糖尿病足溃疡感染中主要的耐药菌为金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌、铜绿假单胞菌等,且随着糖尿病足溃疡患者Wagner分级升高,G+菌感染率降低,G-菌感染率升高。伤口感染而导致机体部分功能失调,伤口不能维持正常的创面微环境而延迟愈合速度。因此,感染是阻碍伤口愈合的重要因素。

综上,DFU患者因体内持续高血糖状态,伤口长期缺氧的刺激,从而导致晚期糖基化终末产物堆积、氧化应激水平升高、慢性炎症反应和伤口感染等因素使细胞和组织受损,引起周围神经和血管病变,导致DFU产生并致其迁延难愈,所以根据创面情况选用合适的伤口敷料对于促进糖尿病创面愈合至关重要。而传统敷料存在着性能单一,本身易粘连、没有生物活性、吸收力过强、易渗出等缺陷,容易造成伤口的二次破坏、感染,并不能有效促进DFU的愈合。水凝胶则以其良好的生物相容性、吸渗能力、良好的药物递送能力等优良性能在慢性伤口中展现了巨大的潜力。以下介绍了水凝胶的结构设计和在DFU中的应用,以期为糖尿病创面治疗提供可借鉴的思路。

2 水凝胶的结构设计

水凝胶的结构设计决定着所制备的水凝胶的物理性能,进而影响药物递送。水凝胶的良好结构是水凝胶发挥自身功效的重要环节。根据水凝胶的交联方式不同,可分为物理交联、化学交联、双交联及多重交联水凝胶。

2.1 物理交联水凝胶

物理交联水凝胶在制备过程中不使用交联剂,而是通过非共价键进行交联,分子间相互作用力较弱,通常不如化学交联稳定,易降解。相关研究发现制备物理交联水凝胶的分子间相互作用力通常有:氢键、离子相互作用、疏水作用力等。

2.1.1 氢键

氢键通常指氢原子与电负性原子(N、H、O等)之间的静电作用,它广泛存在于自然界和生物体之中。经氢键交联的水凝胶具有一定的可逆性,可保持疏松的结构,有利于药物的递送,因此也被应用于制备环境响应型水凝胶和自愈合水凝胶。Jing等[12]以氢键和静电作用为基础,制备了一种具有pH敏感性的海藻酸钠/羧甲基壳聚糖水凝胶珠,拥有优异的环境适应能力和药物递送能力。且随羧甲基壳聚糖含量增多,氢氧根增加,氢键数量上升,交联结构更为稳定。通过氢键交联的水凝胶易于成形,制作简单,可在短时间内快速胶化,拥有良好的自愈性。Wang等[13]利用阳离子瓜尔胶(CG)和CuCl2同侧羟基之间形成动态稳定的氢键,使得制备的水凝胶可注射、能适应不同伤口形状,并表现出优异的抗菌能力,可促进伤口的愈合。因此,与金属离子溶液中羟基作用形成的氢键抗菌性能更好、结构更稳定。

2.1.2 离子相互作用

离子相互作用是过渡金属离子与亲水基团的静电吸引作用力,其可以与相应配体快速而可逆地结合与断裂。通过离子间相互作用,可制备具有较好力学性能的自愈合水凝胶。Lin等[14]基于Fe3+与-OH间的离子相互作用力制得具有氧化还原活性和自愈合能力的PVA/PA/Fe3+(PPFe)交联水凝胶。相较于普通PVA/PA水凝胶,制备的凝胶具有较好的力学性能、稳定性和自愈性。目前,Fe3+在离子相互作用交联水凝胶的制备中应用较广泛,且与-OH等亲水基团结合可有效提高水凝胶的机械性能。可逆共价键快速转换是评价水凝胶自愈合能力的重要指标,在一定速率范围内,转换速率越快,自愈合能力越优异。Lee等[15]以离子交联为可逆共价键,在超声的激发下,使解离链的流动性增强,转换速率加快,表现出良好的自愈性。

2.1.3 疏水作用

疏水作用力使聚合物中的疏水结构单元与水分子相互排斥从而聚集形成胶束,大量胶束聚集交织形成物理交联网络的一种作用方式。何美玲等[16]通过共聚缩合反应,得到可自愈合的聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶。实验发现SMA含量越高,聚合物尺寸越大,水凝胶的网络间隙越小,承受压力强度越高。因此,疏水结构的掺入高分子链中,形成胶束可有效提高水凝胶的力学性能。水凝胶的组织黏附功能较差,可通过疏水作用使水凝胶改性,促使其稳定地黏附在伤口。Jiang等[17]研究表明,经疏水作用修饰后的水凝胶在液体中仍可维持自身形态,具有良好的稳定性,且比纤维蛋白胶黏附在组织上更牢固,是一种新型生物黏附水凝胶。伤口在自然环境中会受到温度、细菌等的影响,使伤口呈现不同的形状,表现出一定特性。肖尧予等[18]以聚丙烯酰胺基为基础,利用疏水聚集开关动态作用,使其对pH值、温度、电流敏感,并在热诱导下,表现出记忆功能,可适应不同形状伤口。

2.2 化学交联水凝胶

化学交联水凝胶是通过共价键将高分子链相互连接而产生的,一般需要交联剂参与共价键的形成。由于共价键的键能较高,故合成的水凝胶力学性能较物理交联好,不易降解。常见的几种动态共价键包括:酰腙键、亚胺键、二硫键等。

2.2.1 酰腙键

酰腙键是一类较为稳定的共价化学键,其次氨基上的孤对电子通过共轭作用与羰基和亚胺基结合,结构紧密。通过酰腙键交联的水凝胶通常拥有着优异的力学性能和自愈合性能,且在特定的环境下可发生降解。侯一凡等[19]利用醛基化海藻酸钠与酰肼基聚乙二醇反应,制备出弹性和强度良好的动态共价交联水凝胶,且其可以对pH进行响应,在酸性条件下降解为溶胶。何元等[20]利用丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺通过加成反应从而形成共聚物后,再与己二酸二酰肼反应,制备的水凝胶拥有温度/pH双重响应释放,且在温度的调控下,自愈合性良好。Xiao等[21]利用酰腙键与聚乙二醇相互交联,制备了纤维素纳米复合水凝胶,二者相互交联增强了机械性能并且能快速自愈合。

2.2.2 亚胺键

动态亚胺键的形成是通过将胺和醛或酮反应生成亚胺的反应。亚胺键的形成,可以用于构建水凝胶复杂的结构,使水凝胶具有高效、稳定、良好的药物递送的性能。Sharma等[22]研究利用巴豆醛的醛基与壳聚糖的氨基形成动态亚胺键,实现了水溶性药物的快速递送,成为水凝胶药物递送及快速自修复最具潜力的动态共价键。除此以外,以亚胺键为动态共价键的水凝胶还具有出色的流变性能、高溶胀率和抗菌能力,可有效吸收伤口渗出液。Yu等[23]将O-羧甲基壳聚糖与水溶性含动态共价键的聚合物交联合成双亚胺键水凝胶,其具有更大的孔径和储存量,是伤口敷料的优良供体。Pogostin等[24]通过氧化免疫刺激性多域肽水凝胶从而形成亚胺键,增强了免疫刺激性多域肽水凝胶的力学性能和自愈性能。因此,可通过氧化作用增强水凝胶的自愈合性。

2.2.3 二硫键

水凝胶中二硫键可由氧化反应、酶促反应、光聚合反应、水解反应等催化而成。因其可注射,可适应不同的伤口形状,且可对环境产生响应,使巯基-二硫键两键快速交换产生快速的自修复,因而被广泛应用于伤口的自愈合修复之中。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)为原料,以二硫键为接枝点,制备了一种光触发的自愈性水凝胶。经过测试,该水凝胶可在正常环境之中10 min形成自愈。兰皓月[26]基于配位作用和巯基-二硫键两键动态交换为基础,提出了一种抗菌银水凝胶的快速制备方法,扫描电子显微镜表示,银可均匀分布在水凝胶各个部分之中,且巯基-二硫键的作用,使水凝胶可以实现键能的动态交换,具有自愈合性。

2.3 双交联及多重交联水凝胶

双交联及多重交联水凝胶是由两种或两种以上的交联结构组成的水凝胶,可由多重非共价键相互作用、不同共价键互相交联或非共价键与共价键互相交联,在不同程度上弥补各自的缺点,增强了水凝胶的性能,使其适应不同环境的能力增强。单一水凝胶存在着药物释放过快、缺少智能响应性等缺点,因此乔丽媛[27]制备了含酰腙键与氢键的可逆动态双交联水凝胶,实现了药物的稳定负载和缓释,并且具备良好的自愈能力。与此同时,研究之中还通过引用酰肼类交联剂制备多重交联水凝胶优化双交联水凝胶的性能。Liu等[28]以亚胺键和硼酸盐酯键相交联为具有双网络结构的水凝胶,使其具有优异的力学性能,并在自然环境下就可发挥自愈能力。目前多重交联水凝胶发展潜力良好,其性能仍有待开发。

3 水凝胶敷料在DFU中的应用

水凝胶的制备方式多样,且可以根据伤口不同的类型制备适合的敷料,且良好的药物递送能力可以在伤口愈合的不同阶段发挥良好的功效。糖尿病足溃疡创面表现为易于感染、创面过度的炎症反应、生长因子释放受阻、组织细胞增殖缓慢等。水凝胶其独特的特性可发挥抗菌、抗炎、加速创面细胞增殖和迁移等功效,促进创面愈合。

3.1 水凝胶在创面抗氧化的应用

糖尿病患者由于体内高氧化应激水平,使ROS释放过多,伤口内皮细胞无法正常清除氧化物,导致自身细胞氧化损伤,使血管、神经坏死。因此,去除伤口的ROS是促进DFU愈合的关键因素。水凝胶可以自身优异结构负载除ROS的物质,以此达到抗氧化的效果。丁秋月[29]研究发现,Ag-S键为基础制备的多功能可注射水凝胶,可有效减少细胞的氧化损伤,提高细胞的抗氧化能力,促进伤口愈合。Yang等[30]研究发现,透明质酸和胶原蛋白以水凝胶为载体,可实现自身的抗氧化功能,促进血管生成和胶原沉淀。除此以外,单宁酸水凝胶也可调节创面的氧化应激状态。Zeng等[31]使用单宁酸水凝胶治疗伤口后,通过测定伤口的自由基和ROS可发现,伤口氧化物质显著减少,是临床上抗氧化、促伤口愈合具有潜力的敷料。目前抗氧化水凝胶仍具有一定的不足之处,如黏附力不强等。抗氧化水凝胶在治疗慢性伤口展现了自身优势,并为开发新型水凝胶提供了一条可借鉴的思路。

3.2 水凝胶在创面抗菌的应用

DFU的高血糖环境为细菌定植、生长提供了条件,从而细菌不断滋生,导致溃疡蔓延、伤口延迟愈合。相较于普通敷料,水凝胶敷料有更好的抑菌性,可以依靠自身的理化结构或搭载抑菌剂与细菌相互作用而产生抗菌性能,避免高糖环境带来的细菌滋生。谢间英等[32]通过使用不同种类敷料对糖尿病足溃疡患者进行治疗,对照组使用传统换药方法,实验组使用含银离子水凝胶,研究发现实验组的抗菌能力更为显著。Hanton等[33]以葡聚糖和壳聚糖为原料,通过在醛和氨基之间形成亚胺键制备得到水样凝胶,对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、化脓杆菌和白细胞杆菌具有抗菌活性。但这些单一的抗菌水凝胶存在着抗菌周期短和易使细菌产生耐药性的缺点。因此,具有广谱抗菌效果和持久抗菌活性的光热响应性抗菌水凝胶成为研究者关注的一大热点。此类水凝胶通常以破坏细菌的生物膜来实现抑菌作用。Wang等[34]研究制备了一种Gel/PL@Fe3+TA水凝胶,该水凝胶引入Fe3+TA纳米颗粒,通过激光照射触发光热效应来达到抗菌的效果。且水凝胶与水凝胶协同光热抗菌处理后的细菌由光滑、全表面变为表面褶皱,甚至萎缩破裂,表现出严重的膜损伤和细胞质渗漏。

3.3 水凝胶在创面抗炎的应用

DFU创面易引起感染,导致免疫系统受到破坏、炎性因子大量释放,使得创面的炎症反应更加强烈,持续时间延长。严重的炎症反应可能会导致伤口化脓,溃烂至深层组织。因此,对炎症反应的调节成为DFU治疗的关键环节。减少促炎M1巨噬细胞,增加抗炎M2巨噬细胞,是降低炎症反应的一大难题。Zeng等[35]研究表明,miR-29ab1增高可延长糖尿病小鼠M1巨噬细胞极化并使TNF-α和IL-1β水平升高。通过壳聚糖与葛根素共混制备的水凝胶可抑制miR-29ab1介导的炎症轴,可促进糖尿病伤口的愈合。蔡雪芹[36]合成了一种与细胞外基质结构相似的新型水凝胶敷料,通过敷料上包被的白细胞介素4(IL-4)调控高糖环境下巨噬细胞,诱导其分化为抗炎M2巨噬细胞。通过调节与炎症相关的信号通路与炎症小体也可调节炎症反应强度,促进糖尿病创面愈合。Zhou等[37]发现,蜗牛糖胺聚糖/甲基丙烯酸化明胶水凝胶可通过结合炎性细胞因子来减少其在伤口组织中的积累,并通过调控NF-κB通路以抑制炎性细胞因子的表达,从而治疗性地缓解慢性伤口中的炎症。Zhou等[38]制备了与氧化石墨烯(GO)结合的甲基丙烯酸酯明胶水凝胶(Gel-MA),并与负载二甲双胍的介孔有机硅纳米球进行并光交联,构建的纳米复合水凝胶(MGO@GM)可下调NLRP3炎症小体并抑制中性粒细胞外诱捕网(NETs)的形成,降低炎症反应,促进糖尿病伤口愈合。

4 总结与展望

皮肤是人类重要的保护屏障,而DFU这类高感染性伤口破坏了皮肤结构,严重影响了人们的正常生活。而传统敷料并没有生物活性,作用单一,易粘连伤口,不能提供一个很好的微环境来支持DFU愈合,致使其临床治愈率不高,复发率较高。随着医疗诊断手段的不断发展,使用新型材料制作敷料日益增多。而研究新型水凝胶敷料,就是为了弥补传统医用敷料的不足,优化敷料性能,给创面以合适的愈合环境,达到吸收创面渗出物、避免细菌感染等防护功能,促使细胞增殖与迁移,加快创面愈合。

本文重点探讨了DFU的发病机制、水凝胶敷料的结构设计以及在促DFU愈合中的应用潜力,指出了水凝胶敷料在DFU的治疗中弥补了传统敷料的缺陷,希望为未来DFU的治疗提供系统的理论支持。现DFU仍是难以治愈的临床疾病,面对着许多风险与挑战,需要研制出具有多重应用价值的医用敷料。而水凝胶的开发仍存在着技术壁垒,存在着许多缺陷。为做好伤口治疗后防护,实现皮肤的重塑与修复,水凝胶的潜力仍静待开垦。