慢性糖尿病伤口发病率高、发病机制复杂、恢复时间长，是公共卫生系统面临的一大挑战。因此，迫切需要开发创新疗法来加速糖尿病伤口的愈合过程。作为天然纳米囊泡，细胞外囊泡（EVs）来源丰富，免疫原性低，营养分子丰富，对糖尿病伤口愈合具有较好治疗作用。为避免 EVs 被快速清除，需要合适的递送系统来控制其释放。水凝胶具有良好的生物相容性和保水性，被认为是符合湿润伤口愈合概念的理想功能性伤口敷料。水凝胶不仅能为 EVs 提供保护性支架，还能延长其半衰期和生物活性，实现EVs 控制释放。因此，水凝胶和 EV 的结合弥补了它们各自不足，展现出协同功效，已经成为伤口愈合和组织再生领域一种有前景的无细胞疗法。
近日，来自海军军医大学第一附属医院（上海长海医院）烧伤科肖仕初教授联合临床研究中心中心实验室高洁副研究员以促糖尿病伤口愈合的细胞外囊泡生物增效型水凝胶为主题在《Materials Today Bio》（中科院Top I区，影响因子8.2）发表题为“Extracellular vesicle biopotentiated hydrogels for diabetic wound healing: The art of living nanomaterials combined with soft scaffolds”的综述，系统地介绍了负载细胞外囊泡的生物增效型水凝胶的设计策略、治疗效果、作用机制和未来应用的挑战和临床转化前景。长海医院烧伤科博士研究生严珍珍、长海医院张停琳实习研究员和长海医院烧伤科博士研究生王雨翔为共同第一作者。
在这篇综述中，作者系统综述了用于促糖尿病伤口愈合的细胞外囊泡水凝胶的设计策略和最近的进展。本文首先详细描述了提高细胞外囊泡与水凝胶结合效率的的设计策略（三种结合形式、两种相互作用方式和两种交联方法）。其次，本综述还讨论了不同材料来源水凝胶负载细胞外囊泡对伤口愈合的治疗效果及其分子机制。最后，本文阐述了细胞外囊泡生物增效型水凝胶用于糖尿病伤口愈合的相关挑战和未来应用前景，以进一步增强它们用于皮肤再生的潜力。
图1 细胞外囊泡生物增效型水凝胶的设计策略和促伤口愈合机理
1. 细胞外囊泡复合水凝胶的设计策略
利用水凝胶负载细胞外囊泡，不仅增加了EVs在目标组织部位的保留度，而且通过调节水凝胶的降解速率实现了活性成分持续可控的释放，从而发挥更稳定、持久的治疗效果。目前，根据EVs加入水凝胶基质的先后顺序不同，可将EVs装载到水凝胶基质中的方法分为三种。其次，可利用细胞外囊泡与水凝胶之间的静电相互作用和生物活性黏附两种相互作用以提高EV在水凝胶中的有效负载效率。此外，水凝胶的孔径大小、交联密度、机械强度、生物降解性、交联方式和材料来源等因素均有可能影响水凝胶性能，进而影响EV的释放和活性。选择合适的交联方法在决定水凝胶EV复合材料的性能和性能方面起着关键作用。我们将基于不同交联方法形成的水凝胶的特性总结归纳在表1。
表1 基于不同交联方法形成的水凝胶的特性
2. 细胞外囊泡复合水凝胶在伤口愈合中的作用
水凝胶材料包括天然和合成聚合物，每种聚合物都具有不同的生物功能。本文主要介绍了天然水凝胶中的多糖类（海藻酸钠、透明质酸和壳聚糖）和蛋白质类（胶原、明胶和丝素蛋白），以及合成水凝胶（聚乙二醇和聚乙烯醇）。天然水凝胶具有良好的生物相容性、生物可降解性和较少的免疫原性反应，在促进细胞粘附、迁移和分化功能方面表现出优异性能。然而，与天然水凝胶相关的挑战，如机械性能不足和缺乏可重复性，可以通过生产合成水凝胶来解决。选择合适的水凝胶材料与细胞外囊泡联合应用，不仅提升水凝胶材料的机械强度和生物相容性，而且有益于EV中活性物质的持续释放，最终产生显著增强的促愈合能力。我们将来自不同材料来源的水凝胶负载EVs促伤口愈合作用进行总结（表2）。
表2 来自不同材料来源的水凝胶负载细胞外囊泡的伤口愈合效果
3. 细胞外囊泡复合水凝胶的促伤口愈合机制
在糖尿病伤口中，愈合过程通常因异常炎症、氧化应激升高、血管生成受损、上皮再形成延迟和感染易感性增加而受损。负载细胞外囊泡的复合水凝胶的促伤口愈合机制取决于水凝胶的内在性质、EVs中包含的生物活性物质以及二者之间的协同作用。此种复合水凝胶可以通过调节各种生物分子，从而实现抑制炎症、抗氧化、抗感染、促血管生成和促细胞增殖等治疗目标。复合系统中水凝胶基质和EVs之间复杂的相互作用有助于糖尿病伤口愈合的整体疗效。基于伤口愈合的原理可以设计和选择不同的功能性水凝胶，在为伤口提供机械屏障的同时满足伤口愈合的不同阶段所需的活性物质，为糖尿病伤口愈合提供良好的应用前景。
4. 总结与展望
糖尿病创面的治疗是复杂且具有挑战性。由于单纯的水凝胶难以满足创面修复的复杂需求，直接注射的细胞外囊泡易被机体快速代谢清除限制了其应用，利用水凝胶封装EVs的策略可扬长避短，改善各自的缺陷，在加速糖尿病伤口愈合的方面表现出极大的应用前景。目前，负载于水凝胶中的细胞外囊泡主要来源于干细胞，使用细胞外囊泡可有效避免直接使用干细胞进行治疗存在的细胞存活率低和免疫排斥等问题。水凝胶封装的EVs可在不同层面改善慢性创面微环境，同时实现EVs的可控释放，增强治疗效果。
虽然水凝胶有望在未来取代传统的伤口敷料，但市场上临床批准的水凝胶数量仍不尽如人意。大规模制备性能稳定的水凝胶敷料并走向临床应用是面临的主要难题。如制备过程中残留的单体或交联剂容易被包裹在水凝胶内部难以除去，这对材料的稳定性、生物安全性都是一个较大的挑战。此外，外泌体的批量生产也是限制其临床应用的主要原因。未来需要开发更低成本的EV分离、纯化和储存的标准程序，并需要更多的研究来阐明EVs在慢性伤口愈合作用机制。由于糖尿病创面治疗的时空复杂性和患者个体差异性,因此，未来仍需开发新型多功能、智能响应生物活性敷料，不仅可以满足不同阶段创面的修复需求，而且还可与电子设备结合实现创面内生物学参数的实时监控，从而实现更精准的治疗。
文章来源：https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100810
