含有二甲双胍的粘附性聚乙二醇水凝胶可实现原位药物递送，从而重新编程免疫代谢，促进糖尿病足溃疡组织的修复

《Acta Biomaterialia》：Adhesive polyethylene glycol hydrogels with metformin enabling in-situ drug delivery reprogramming immuno-metabolism for tissue repair in diabetic foot ulcers

糖尿病足溃疡（DFU）的慢性难愈性源于代谢紊乱、炎症持续及血管生成障碍。本研究开发了一种含1.0 mM二甲双胍的PEG水凝胶（PEG/Met），通过调控巨噬细胞极化与线粒体代谢，抑制Hif-1α和IL-1β表达，促进胶原蛋白沉积与新生血管形成，显著加速DFU愈合（愈合效率91.9% vs 47.3%）。该水凝胶兼具强粘附性（31.4 kPa）和缓释特性（7天总释药86.8%），为DFU治疗提供创新策略。

　　

陈雪辉|邹振宇|魏鹏飞|张雪英|李云环|荆伟|赵波|刘宇辰|黄一谦|吴晓伟

上海交通大学医学院口腔医学院上海第九人民医院正畸科，国家口腔疾病临床研究中心，上海口腔医学重点实验室，上海，200011，中国

摘要

糖尿病足溃疡（DFU）的特点是持续的炎症、代谢功能障碍和血管生成受损，导致难以治愈的慢性伤口。本文报道了一种基于聚乙二醇（PEG）的粘附性水凝胶，该水凝胶负载了二甲双胍（1.0 mM）（即PEG/Met），由等体积的PEG-SG（20 wt.%）和PEG-NH₂（20 wt.%）组成，用于调节DFU中的巨噬细胞极化和代谢。密度泛函理论（DFT）计算和红外光谱证实了其交联作用，形成了具有强组织粘附力的均匀PEG网络（31.4 ± 8.6 kPa），并且药物释放持续七天（总释放量：86.8 ± 0.6%）。在大鼠DFU模型中，PEG/Met显著加速了伤口愈合（伤口恢复率为91.9 ± 3.4%，是对照组的1.96倍），促进了胶原蛋白沉积、M2型巨噬细胞浸润和新生血管形成。在脂多糖（LPS）或葡萄球菌蛋白A（SpA）诱导的促炎刺激下，PEG/Met抑制了糖酵解过程，减少了葡萄糖的摄取和消耗，同时增加了三磷酸腺苷（ATP）的产生并恢复了氧气消耗，表明从糖酵解向氧化磷酸化（OXPHOS）转变。此外，PEG/Met还恢复了线粒体膜电位，减少了活性氧（ROS）的积累，增加了Egln3的表达，并降低了Hif-1α和IL-1β的水平，从而缓解了Hif-1α驱动的炎症信号通路。使用罗丹明对OXPHOS进行药理学抑制后，PEG/Met诱导的M2型巨噬细胞极化被逆转，促炎基因表达重新激活，证实了其免疫调节作用依赖于完整的线粒体呼吸功能。这种PEG/Met水凝胶同时具有粘附性和药物释放平台的作用，并能调节免疫和代谢，有效重塑巨噬细胞表型和线粒体代谢，为DFU及其他慢性伤口的局部治疗带来了巨大潜力。

意义声明

糖尿病足溃疡（DFU）是全球导致肢体丧失的主要原因之一，因为传统敷料只能被动覆盖伤口，无法解决由代谢和免疫紊乱引起的慢性炎症。本文制备了一种基于聚乙二醇（PEG）的粘附性水凝胶（PEG/Met），实现了强组织粘附性、生物降解性和持续的药物释放。该水凝胶将巨噬细胞的代谢方式从糖酵解转变为氧化磷酸化，从而改善了线粒体功能，减少了活性氧的产生，增强了Egln3介导的Hif-1α泛素化，并减轻了IL-1β介导的炎症。这种水凝胶在体内促进了DFU的愈合。通过结合临床批准的二甲双胍，这种粘附性水凝胶平台为DFU及其他慢性伤口的治疗提供了转化策略。

引言

糖尿病是一种全球范围内广泛流行的慢性代谢疾病，其长期并发症严重影响了患者的生活质量和生存期[1]。糖尿病足溃疡（DFU）是糖尿病最常见的且最具挑战性的并发症之一，流行病学研究表明，近三分之一的糖尿病患者在其一生中会经历不同程度的足部溃疡[2,3]。DFU患者常伴有难以治愈的伤口愈合障碍和反复感染，导致疾病进程延长，在严重情况下甚至需要截肢，这大大降低了患者的功能独立性，并给患者、家庭和医疗系统带来了巨大的心理和经济负担。尽管标准化血糖控制和全身抗感染治疗可以部分缓解疾病进展，但它们重新编程局部伤口微环境和有效促进组织再生的能力仍然有限[4]。传统的伤口敷料主要提供被动覆盖和物理保护，缺乏精确调节高血糖、感染和慢性炎症等关键病理因素的能力，因此无法满足DFU伤口长期和复杂的修复需求[5]。因此，开发具有生物活性调节功能和良好机械性能的先进功能性伤口敷料对于改善DFU的治疗效果具有重要意义。

在DFU的发生和发展过程中，持续的高血糖微环境以及周围微循环障碍是伤口无法愈合的关键因素[6,7]。一方面，高血糖为细菌生长提供了丰富的营养基质，使伤口容易发生持续或反复感染；另一方面，感染和高血糖共同作用导致炎症细胞因子过度释放，使巨噬细胞向促炎型M1表型转变，同时抑制具有抗炎和修复功能的M2型巨噬细胞。这种M1/M2比例失衡延长了炎症阶段，干扰了成纤维细胞的增殖和胶原蛋白的沉积[8,9]。此外，慢性高血糖和炎症还会引发线粒体功能障碍和活性氧（ROS）的过量产生，这不仅进一步放大了炎症反应，还破坏了对血管生成至关重要的Hif-1α信号通路[10,11]。在适度激活的情况下，Hif-1α促进巨噬细胞分泌VEGF等因子以促进新生血管形成。然而，持续的高血糖和ROS积累异常稳定了Hif-1α，导致信号通路失调、血管生成效率降低以及局部缺血和缺氧[11]。这些变化共同构成了高血糖-感染-加剧炎症-损伤血管生成的恶性循环，这是DFU慢性且难以治愈的本质。

细胞能量代谢在伤口修复中也起着核心作用[12,13]。在生理条件下，细胞主要依赖线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）来高效生成三磷酸腺苷（ATP），从而支持细胞增殖、迁移和细胞外基质（ECM）的合成[14]。而在高血糖和感染刺激下，巨噬细胞和其他免疫细胞常常从OXPHOS转变为有氧糖酵解，采用“战时”代谢模式，此时三羧酸循环受损，线粒体自噬和线粒体膜电位下降，电子传递链（ETC）功能受损，导致ROS过量产生和炎症损伤加剧[15,16]。二甲双胍是一种广泛使用的口服降糖药物，最近的研究表明它不仅具有降糖作用，还对代谢重编程和免疫调节有显著影响[17]。一方面，二甲双胍可以抑制关键糖酵解酶（如己糖激酶HK和乳酸脱氢酶A LDHA），从而纠正高血糖引起的糖酵解过度激活，提高葡萄糖利用效率，维持足够的ATP产生，为组织修复提供更坚实的能量基础；另一方面，二甲双胍有助于恢复巨噬细胞的线粒体OXPHOS能力，促进巨噬细胞从促炎型M1向修复型M2表型的转变，减少ROS的产生，减轻线粒体损伤，并间接降低Hif-1α的异常积累。这些作用共同改善了局部微循环和血管生成，为糖尿病伤口的代谢重编程、炎症缓解和血管修复提供了潜在的治疗途径[18]。

除了代谢紊乱和不良的炎症环境外，足部的独特生物力学环境也是DFU愈合的障碍[19]。足部承受着整个身体的重量，经常受到行走、站立等重复性运动的影响，使伤口区域承受持续的高应力、剪切力和摩擦力，大大增加了伤口边缘撕裂和溃疡扩展的风险[20]。传统的伤口敷料粘附能力有限，在这种高度活动的部位难以保持稳定位置，经常脱落或移位，无法提供持久、封闭且相对静止的愈合环境。在这种情况下，具有强湿粘附性和机械柔韧性的水凝胶敷料成为封闭和保护足底伤口的有希望的选择[21,22]。聚乙二醇琥珀酰亚胺基戊二酸酯（PEG-SG）和聚乙二醇胺（PEG-NH₂）可以通过N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）酯与氨基之间的亲核加成反应形成稳定的共价交联网络，使所得水凝胶具有强大的组织粘附力和可调的机械强度[23, [24], [25]]。这种具有ECM结构的水凝胶可以快速凝胶化，并在湿润的组织表面牢固粘附，即使在循环负荷和复杂的足部运动下也能保持附着[26,27]。同时，它们的抗污染性、柔韧性和弹性使其能够抵抗非特异性蛋白质吸附，适应足部的变形，减少二次机械损伤，并为DFU伤口管理提供相对稳定、湿润且有利于细胞迁移和增殖的微环境[28,29]。

在这里，我们设计了一种复合敷料系统，将二甲双胍融入到粘附性PEG水凝胶中，旨在实现对DFU伤口的多维度免疫-代谢干预（图1）。一方面，基于PEG的水凝胶作为生物相容性和可降解的局部递送平台，能够在伤口部位持续释放二甲双胍，稳定调节局部葡萄糖代谢和巨噬细胞表型，从而减轻炎症和促进血管生成；另一方面，粘附性的共价网络确保了水凝胶在受机械负荷的足底表面的长期牢固粘附，维持封闭和保护的愈合微环境。我们表征了PEG/Met水凝胶的物理化学性质、药物释放行为、细胞相容性和免疫-代谢调节作用，并在糖尿病伤口模型中进一步验证了其促愈合效果。这种结合了代谢调节和免疫重编程的粘附性水凝胶敷料，可能为DFU及其他慢性伤口的精准治疗提供一种有前景的生物材料策略。

PEG和PEG/Met水凝胶的合成与表征

四臂PEG-SG（10 kDa，多分散度1.28，NHS取代度99.51%）和四臂PEG-NH₂（10 kDa，多分散度1.13，NH₂取代度99.68%）购自中国厦门Nanopeg有限公司。二甲双胍（Met）购自Sigma-Aldrich（美国）。双注射器装置为自制，由聚碳酸酯制成。

将200 mg PEG-SG和200 mg PEG-NH₂分别溶解在1 mL PBS中，然后使用注射器装置以混合喷射方式将两种溶液混合。

PEG/Met水凝胶的表征

在进行生物实验之前，我们首先通过DFT计算分析了PEG-SG、PEG-NH₂和二甲双胍的表面静电势。PEG-SG上的NHS基团表现出整体负电性，而PEG-NH₂和Met上的氨基区域带正电，表明PEG-SG优先与PEG-NH₂发生亲核取代，主要反应发生在PEG-SG的NHS基团与PEG-NH₂的氨基之间（图S1）。

讨论

根据国际糖尿病联合会的数据，2019年全球有超过4.63亿人患有糖尿病[36]。糖尿病患者容易发生多种慢性并发症，包括感染、血管病变、DFU、视网膜病变和肾病。其中，DFU是最常见且最严重的并发症之一。它通常需要密集的日常伤口护理和手术干预，导致高昂的医疗成本，但其临床预后仍然不佳

结论

在这项研究中，我们开发了一种基于PEG-SG和PEG-NH₂化学性质的粘附性和可降解PEG/Met水凝胶敷料，该敷料具有强湿组织粘附性、可控的药物释放和良好的物理化学稳定性。该水凝胶的剪切粘附强度为31.4 ± 8.6 kPa，界面韧性为60.7 ± 16.2 J m^-2，平衡膨胀率为约150%，二甲双胍释放持续七天，并在约45天内逐渐降解

补充材料

与本文相关的补充材料可以在Elsevier在线图书馆的在线版本中找到。

作者贡献声明

陈雪辉：方法学、研究、数据分析。 邹振宇：研究、数据分析。 魏鹏飞：研究、初稿撰写。 张雪英：数据分析。 李云环：验证。 荆伟：验证。 赵波：验证。 刘宇辰：概念化、撰写-审稿与编辑。 黄一谦：概念化、撰写-审稿与编辑。 吴晓伟：概念化、项目管理、撰写-审稿与编辑。