Dissolved oxygen from microalgae-gel patch promotes chronic wound healing in diabetes

微藻凝膠貼劑中的溶解氧促進(jìn)糖尿病患者的慢性傷口愈合

來源：Chen et al., Sci. Adv. 2020; 6 : eaba4311 15 May 2020

 

1. 論文摘要核心內(nèi)容

 

本研究開發(fā)了一種基于活體微藻水凝膠貼片（AGP）的創(chuàng)新傷口敷料，用于治療糖尿病慢性傷口（如糖尿病足潰瘍）：

 

作用機(jī)制：貼片中的聚球藻（Synechococcus elongatusPCC7942）通過光合作用持續(xù)產(chǎn)生溶解氧（TDO），穿透皮膚效率比傳統(tǒng)氣態(tài)氧療法（TGO）高>100倍（圖1H）。

 

療效驗(yàn)證：

 

體外促進(jìn)細(xì)胞增殖、遷移和血管形成（圖2）；

 

在糖尿病小鼠模型中加速傷口閉合（45%愈合率 vs. TGO的20%，圖3B），皮瓣存活率提升至82%（對(duì)照組僅3%，圖4C）；

 

 

 

將慢性傷口轉(zhuǎn)化為急性愈合表型，下調(diào)缺氧因子HIF-1α，上調(diào)血管生成因子VEGF（圖3J, 4H）。

 

創(chuàng)新點(diǎn)：首款利用生物光合作用持續(xù)供氧的敷料，成本低廉（<1美元/片），兼具抗菌性。

 

2. 研究目的

 

1.解決臨床痛點(diǎn)：糖尿病慢性傷口因缺氧導(dǎo)致血管生成受損，傳統(tǒng)氧療（如高壓氧HBO、局部氣態(tài)氧TGO）滲透性差、作用短暫。

2.利用溶解氧優(yōu)勢(shì)：溶解氧穿透皮膚深度（>700μm）遠(yuǎn)超氣態(tài)氧（300μm），可直達(dá)深層組織（圖1H）。

3.開發(fā)可持續(xù)氧源：通過微藻光合作用實(shí)現(xiàn)持續(xù)、可控的氧釋放。

 

3. 研究思路

 

1.貼片設(shè)計(jì)與制備（圖1A-C）：

 

核心結(jié)構(gòu)：微藻包裹于海藻酸鈣水凝膠珠（直徑1mm），夾層為親水性聚四氟乙烯（PTFE）膜（允許氣體/水滲透，阻隔細(xì)菌）。

 

控氧機(jī)制：光照觸發(fā)光合作用產(chǎn)氧，黑暗時(shí)呼吸作用降低氧濃度（圖1D）。

2.體外驗(yàn)證：

 

氧釋放動(dòng)力學(xué)：Unisense電極證實(shí)光照下溶解氧濃度達(dá)600μM（圖1D），碳酸鈉添加進(jìn)一步提升產(chǎn)氧量（圖1F）。

 

細(xì)胞效應(yīng)：AGP促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVEC）、角質(zhì)形成細(xì)胞（HaCaT）遷移和血管形成（圖2F-K）。

3.體內(nèi)療效：

 

糖尿病小鼠模型：鏈脲佐菌素（STZ）誘導(dǎo)糖尿病，建立全層皮膚缺損傷口。

 

傷口愈合：AGP治療組12天愈合率達(dá)45%（對(duì)照組20%），上皮化加速（圖3A-D）。

 

皮瓣存活：AGP組皮瓣壞死率僅18%（TGO組58%），血管密度顯著增加（圖4A-G）。

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

(1) 溶解氧釋放與皮膚滲透（圖1）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

光照下溶解氧濃度30分鐘內(nèi)從0升至600μM（圖1D）；

 

穿透小鼠皮膚后，AGP組氧濃度達(dá)240μM，TGO組幾乎為0（圖1H）。

 

意義：直接證明溶解氧穿透皮膚的高效性，為AGP的臨床優(yōu)勢(shì)提供核心證據(jù)。

 

(2) 體外細(xì)胞功能促進(jìn)（圖2）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

AGP使HUVEC遷移率提升2倍（圖2H-I），血管形成能力增強(qiáng)（管長度+40%，圖2J-K）；

 

下調(diào)缺氧標(biāo)志物HIF-1α（圖2B-C）。

 

意義：揭示AGP通過改善缺氧微環(huán)境促進(jìn)細(xì)胞修復(fù)功能。

 

(3) 動(dòng)物模型療效（圖3-4）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

傷口愈合：AGP組第6天愈合率45%（TGO組20%），膠原沉積增加（圖3D,H）；

 

皮瓣存活：AGP組血管密度達(dá)66.9%（對(duì)照組13.1%），HIF-1α表達(dá)降低（圖4E-G）；

 

分子機(jī)制：VEGF/HIF-1α比值提升2.48倍（圖4I）。

 

意義：證實(shí)AGP通過促血管生成和緩解缺氧加速傷口愈合。

 

(4) 安全性及穩(wěn)定性（圖1I）

 

 

數(shù)據(jù)：AGP在4°C儲(chǔ)存15天仍保持>1000μM氧釋放能力（圖1I）。

 

意義：確保臨床應(yīng)用的可行性與長效性。

 

5. 丹麥Unisense電極的核心價(jià)值

(1) 技術(shù)原理

 

 

功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶液中溶解氧（DO）濃度動(dòng)態(tài)變化（方法2.6）。

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：用于量化AGP在不同條件下的氧釋放動(dòng)力學(xué)（圖1D-F）。

 

(2) 關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)（圖1D-F）

 

 

光控氧釋放：光照30分鐘DO從0→600μM，黑暗時(shí)反向下降（圖1D），證明微藻光合/呼吸作用的可控性。

 

碳酸鈉增強(qiáng)效應(yīng)：添加500μM Na?CO?使DO峰值提升至1400μM（圖1F），為配方優(yōu)化提供依據(jù)。

 

緩釋特性：DO濃度隨時(shí)間呈緩釋曲線（30分鐘達(dá)平臺(tái)期），符合治療需求。

 

(3) 研究意義

 

 

機(jī)制驗(yàn)證：直接量化AGP的氧釋放能力，排除間接檢測(cè)方法（如熒光探針）的誤差風(fēng)險(xiǎn)。

 

劑量優(yōu)化：確定微藻最佳濃度（1×10? cells/ml，圖1E）和碳酸鈉添加量，最大化療效。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：高時(shí)空分辨率捕捉動(dòng)態(tài)過程（秒級(jí)響應(yīng)），優(yōu)于傳統(tǒng)終點(diǎn)法檢測(cè)。

 

6. 結(jié)論

 

1.AGP有效性：溶解氧穿透深度>100倍于氣態(tài)氧，顯著加速糖尿病傷口愈合（12天愈合率45%）和皮瓣存活（壞死率降至18%）。

2.機(jī)制明確：通過下調(diào)HIF-1α、上調(diào)VEGF，促進(jìn)血管生成，逆轉(zhuǎn)慢性傷口缺氧微環(huán)境。

3.臨床價(jià)值：低成本（<1美元/片）、長效穩(wěn)定（15天活性）、無免疫原性，為糖尿病足潰瘍提供革新療法。

4.Unisense電極貢獻(xiàn)：精準(zhǔn)量化氧釋放動(dòng)力學(xué)，為AGP的設(shè)計(jì)優(yōu)化和機(jī)制闡釋提供不可替代的數(shù)據(jù)支持。

 

總結(jié)

 

本研究通過丹麥Unisense電極的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)合多維度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，首次闡明：

 

1.溶解氧的核心優(yōu)勢(shì)：高效穿透皮膚，直達(dá)深層缺氧組織；

2.AGP的設(shè)計(jì)科學(xué)性：微藻光合作用提供持續(xù)、可控氧源；

3.Unisense技術(shù)的不可替代性：

 

實(shí)時(shí)捕捉氧釋放動(dòng)力學(xué)，指導(dǎo)劑量優(yōu)化；

 

驗(yàn)證光照/黑暗切換的氧控能力；

 

為轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐。

 

該研究為糖尿病慢性傷口治療開辟了新途徑，Unisense電極在此過程中發(fā)揮了關(guān)鍵的機(jī)制解碼和技術(shù)優(yōu)化作用。