糖尿病足潰瘍納米材料治療進展

任 鵬,商 艷,袁良喜

(1.海軍軍醫大學第一附屬醫院全科醫學科,上海 200433; 2.海軍軍醫大學第一附屬醫院血管外科,上海 200433)

當前臨床上糖尿病足潰瘍的治療主要包括微創清創術、血運重建術以及傷口敷料、負壓創面治療、抗生素抗感染、生長因子、干細胞和皮膚替代品在內的治療手段,并成為預防截肢的重要工具[3]。然而,傳統敷料功能單一,需要頻繁更換;長期反復清創給患者帶來極大的痛苦和巨大的經濟負擔。此外,耐藥微生物的出現使抗生素治療效果不佳[4-6]?；蛑委?、生長因子治療和干細胞治療等輔助治療逐漸在臨床上被重視。然而,體內蛋白酶會導致這些物質在人體內半衰期短和藥物清除率增加[7],并且具有對組織或器官有毒,藥物遞送不受控制,劑量不足或過量以及對機體產生免疫反應等缺點[8]。因此,目前糖尿病足潰瘍的臨床治療效果并不令人滿意,這促使研究人員將注意力轉向先進的納米技術。

1 糖尿病足潰瘍創面愈合的特點

2 糖尿病足潰瘍納米材料治療進展

近年來,納米技術成為糖尿病患者及其相關并發癥治療的研究熱點之一。納米顆粒是納米范圍內的顆粒,可以作為一個單一的實體,具有不同的大小和形態[11]。在傷口愈合階段,納米顆粒是局部遞送的理想選擇,支持與生物靶點更好地相互作用,并增加傷口部位的滲透。納米顆粒保護藥物不被酶降解,增加藥代動力學,防止藥物泄漏到預期位置以外的任何其他位置,而不會對正常細胞本身產生太大影響。外周動脈疾病、神經病變、炎癥因子的持續釋放和感染是影響糖尿病足潰瘍發展的關鍵因素。本文介紹基于糖尿病足潰瘍發病的病理生理及細胞分子基礎的納米療法的研究進展。

2.1 改善周圍神經病變的納米材料

2.1.1 降低潰瘍創面血糖 高血糖是影響糖尿病足潰瘍神經病變的主要因素,神經病變嚴重程度與暴露于高血糖的持續時間和嚴重程度影響呈正相關。降低血糖有利于減輕患者神經病變的進展,以減輕疼痛,提高生活質量。然而,大多數藥物的生物利用度低且治療效果不佳?；诩{米材料調節藥物釋放以提高生物利用度的能力,在納米載體中負載降糖藥物是降低糖尿病足創面血糖的有效方法之一。Liang等[12]研制出pH/葡萄糖雙響應性二甲雙胍緩釋水凝膠敷料,實現了二甲雙胍在高血糖創面環境中的釋放,降低小鼠潰瘍創面血糖并減弱創面炎癥,促進膠原沉積和創面愈合。Lee等[13]研制了可降解納米纖維二甲雙胍洗脫膜,能夠釋放高濃度的二甲雙胍超過3周。與對照組相比,該膜改善了糖尿病大鼠的傷口愈合和上皮再形成。除了負載降糖藥物,胰島素、葡萄糖氧化酶、酵母提取物等也被裝入納米系統作用于糖尿病小鼠模型的研究,能夠顯著降低小鼠血糖水平[14-17]。植物源性植物化合物或其衍生物也被裝載成為綠色合成納米藥物,莫哈格大學理學院采用超聲輔助法制備了一種重要藥用植物水豆瓣菜(旱金蓮)的葉提取物,并通過聯合超聲微波輔助程序用于制備ZnO納米顆粒,結果顯示豆瓣菜葉提取物憑借其植物化學成分對糖尿病大鼠具有顯著的降血糖作用[18]。

2.1.2 靶向背根神經節 高血糖常引起背根神經節中電壓門控鈉通道的上調。背根神經節中鈉通道開放頻率增加使細胞內鈉離子水平升高,進一步導致鈣通道開放增加,并刺激其他途徑導致糖尿病周圍神經病變[19]。背根神經節參與產生外周血小板活化因子、炎癥和神經性疼痛[20]。許多藥物應用于背根神經節的對癥治療,但由于作用部位的藥物傳遞不足,導致效果不佳[21]。納米顆粒具有顯著而獨特的機械化、化學和光學特性,是治療糖尿病周圍神經病變的理想藥物。一項研究表明,CeO2(二氧化鈰)納米顆粒在抗氧化損傷中發揮重要作用,并對糖尿病神經病變表現出保護作用,是抑制糖尿病神經損傷的優良藥物[22]。Kobyliak等[23]用二氧化鈰納米顆粒治療神經性糖尿病足潰瘍患者,表現出良好的療效。P2X3受體過表達在周圍神經病變中起關鍵作用[24]。Jia等[25]研究發現負載大黃素的納米顆粒降低了2型糖尿病背根神經節中ERK1/2的磷酸化和活化,顯著抑制轉染P2X3受體的HEK293細胞中P2X3激動劑α,β-meATP激活的電流。因此,納米大黃素治療通過減少2型糖尿病大鼠背根神經節P2X3受體介導的興奮性傳遞來減輕周圍神經損傷。背根神經節病變導致的糖尿病足創面神經元損傷是影響其愈合的重要病理生理機制,靶向背根神經節的納米材料研究在促進糖尿病足潰瘍創面愈合上有巨大潛在價值。

2.2 改善周圍血管病變的納米材料

2.2.1 促進NO釋放 在傷口愈合過程中,內源性一氧化氮(nitric oxide,NO)合成已被證明具有抑制炎癥、促進血管生成和刺激膠原沉積的作用[26]。于是Zhang等[26]引入了一種銅基金屬有機骨架,即HKUST-1(Hongkong University of Science and Technology-1)作為NO加載載體,并通過靜電紡絲方法設計了一個具有核殼結構的NO持續釋放系統。通過研究表明可降解的HKUST-1釋放的額外銅離子與NO協同作用,促進內皮細胞生長,顯著改善創面血管生成、膠原沉積和抗炎性能,最終加速糖尿病創面愈合。s-亞硝基谷胱甘肽(S-Nitroso-gluta-thione,GSNO)成為治療皮膚傷口感染的有效藥物,然而其高親水性和可降解性使制備含GSNO納米顆粒一直具有挑戰性。Lee等[27]將親水性GSNO與疏水性聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA)共價結合,使得GSNO在納米顆粒制備過程中的損失最小化,從而獲得足夠的負載效率(GSNO為2.32%,NO為0.07 μmol/mg),合成的GSNO-共軛聚乳酸-羥基乙酸(PLGA)顯著促進了小鼠創面愈合。有關促進一氧化氮釋放納米材料的研究已趨于成熟,在促進創面血管生成加速創面愈合方面表現出潛在優勢。

2.2.3 調節HIF-1/VEGF軸 創面愈合是一個系統的、動態的過程,涉及到上皮化、血管生成、肉芽組織形成和創面收縮,所有這些過程都受缺氧誘導因子1-α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)調控[29]。在正常組織中,HIF-1α的穩態水平較低,這是由于脯氨酸羥化酶結構域蛋白對HIF-1α的氧依賴性羥基化所致。糖尿病足潰瘍患者中HIF-1α靶基因表達受到抑制,因此恢復HIF-1α表達是改善糖尿病足潰瘍愈合的關鍵之一。Yang等[30]研究了一種智能近紅外觸發的NO納米發生器(SNP@MOF-UCNP@ssPDA-Cy7/IR786s,縮寫為SNP@UCM),該研究發現SNP@UCM與對照處理相比,近紅外照射顯著促進了VEGF mRNA和蛋白質的表達。SNP@UCM近紅外照射處理的人臍靜脈內皮細胞培養上清液中VEGF的濃度從257.1 pg/mL顯著增加到458.2 pg/mL,HIF-1α蛋白水平較對照組增加約4倍。而且HIF-1α的敲除不僅消除了SNP@UCM近紅外照射誘導遷移能力,也降低了VEGF的表達。SNP@UCM在近紅外輻射下,通過抑制泛素化介導的HIF-1α與E3泛素連接酶的相互作用來抑制其蛋白酶體降解。SNP@UCM通過增強傷口部位的血管生成、促進血管內皮生長因子(VEGF)的分泌以及細胞增殖和遷移來促進創面愈合[30]。HIF-1/VEGF軸的調節對于糖尿病足局部潰瘍創面血管的恢復是一個關鍵的節點,基于此發病機制的相關納米材料研究也將更加深入。

2.3 調節炎癥反應的納米材料

2.3.2 促進 Keap1產生、減少Nrf2糖尿病慢性高血糖導致ROS失衡和Kelch樣ECH相關蛋白1(Keap1)過度產生,導致調節糖尿病氧化應激的核因子紅細胞2相關因子2(Nrf2)降解[34-35]。在傷口修復過程中各種ROS解毒酶和其他細胞保護蛋白發揮了重要作用,然而這些基因的表達許多都受到Nrf2轉錄因子的調控[34]。Lin等[36]研究了合成的四面體核酸框架(tetrahedral framework nucleic acid,tFNAs)在糖尿病傷口愈合過程中血管生成過程中的作用及其潛在機制,研究發現在糖尿患者臍靜脈內皮細胞中的ROS水平和與氧化損傷和炎癥相關的基因表達被tFNAs減弱,在用tFNAs治療的糖尿患者臍靜脈內皮細胞中,p-Akt/總Akt比率、Nrf2水平和血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)水平更高。體內實驗表明,tFNAs通過加速血管形成、上皮化、膠原沉積和膠原排列來促進糖尿病傷口愈合。

2.3.3 調節ROS失衡 由于活性氧(reactive ox-ygen species,ROS)和炎癥因子等有害因子的產生延長了糖尿病創面損傷的恢復時間,因此減輕糖尿病創面微環境中氧化應激和炎癥反應有利于糖尿病傷口的愈合。因此,Qi等[37]制備了熱可逆的、基于沸石的抗菌納米顆粒負載水凝膠,通過中和炎癥細胞因子和活性氧等有害因素來促進糖尿病傷口愈合。并通過研究證明沸石納米顆粒協同消除線粒體ROS,中和游離炎癥因子,重塑創面抗炎微環境,促進血管生成。Xu等[38]合成了基于傷口敷料的普魯士藍納米顆粒(prussian blue nanoparticles,PBNPs)水凝膠,由于PBNPs能夠模擬過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性,因此能夠有效清除ROS。在體外氧化應激的背景下,這些PBNP能夠防止細胞毒性,保護線粒體免受氧化應激相關損傷。應用于小鼠創面后能夠改善糖尿病傷口愈合,促進血管生成,并降低糖尿病傷口內促炎IL-6和TNF-α水平。有關ROS相應的納米材料一直以來是糖尿病足納米藥物研究的熱點,同時也具備更深層次的研究空間。

2.4 控制傷口感染的納米材料

2.4.1 根除生物膜 糖尿病足潰瘍創面容易有致病菌定植,包括葡萄球菌、鏈球菌、變形桿菌、銅綠假單胞菌和大腸桿菌[39]。當細菌形成生物膜時,細胞被嵌入一種自產的聚合物基質中,這使它們免受宿主免疫系統和抗生素的保護[40]。因此,盡管進行了全身抗生素治療,糖尿病足中的生物膜的存在導致愈合延遲和隨后慢性感染[41]。最近,利用納米顆粒根除或控制生物膜的潛力已經得到了證實。Liu等[42]研究了具有共軛抗菌劑的聚(乙烯)乙二醇-聚(β-氨基酯)(PEG-PAE)膠束,它可以獨特地穿透生物膜,一旦進入生物膜的低pH環境,就會靶向細菌細胞表面,并通過細菌脂肪酶降解其與PAE的酯鏈釋放共軛抗菌劑。Xu等[43]提出了一種基于二維壓電納米材料的聲催化氫/空穴組合“內外協同”鈦-生物膜的概念,其中聲催化產生的H2和空穴分別快速滲透到生物膜中以抑制細菌能量代謝和氧化剝奪生物膜中的環溶糖/NADH以破壞細菌膜/電子傳輸鏈,內外協同根除生物膜。研究中建立了細菌感染的糖尿病傷口模型,證實了聲催化氫/孔聯合治療具有良好的體內抗菌性能,顯著改善了細菌感染糖尿病傷口的愈合。隨著抗殺菌劑生物膜形成生物的出現,新的納米顆粒策略為破壞和滅活生物膜細胞提供理想的解決方案,從而最大限度地減少殺菌劑或抗生素的使用。

2.4.2 降低基質金屬蛋白酶(matrix metallopro-teinase,MMP)表達 MMP在正常生理功能中發揮作用,如發育和重塑。在感染過程中,T細胞活化可誘導MMP-2和MMP-9的表達,而T細胞遷移則由MMP-9介導。感染期間過量的MMP活性會導致宿主的組織損傷[44]。而MMP-9的基因消融增強了糖尿病傷口愈合,從而證實了MMP-9的有害作用[45]。Krishnan等[46]利用短芽孢桿菌KN8(2)的培養濾液合成AgNPs,其研究結果表明,除了抗菌活性外,生物源性AgNPs降低了糖尿病小鼠受傷肉芽組織中MMP-2和MMP-9 mRNA和蛋白的表達,從而促進傷口早期愈合。

2.4.3 改善創面pH 糖尿病足的pH環境一般范圍廣泛的動態過程,與不同微生物的定殖、發病時間、嚴重程度、創面階段等多種因素有關。因此,根據pH變化的多樣性,Du等[47]提出了一種pH可切換的納米酶級聯催化(pH-switchable nanozyme cascade catalysis,PNCC)策略,用于調節病理性傷口微環境,以挽救糖尿病足中停滯的愈合。PNCC是通過使用臨床批準的氧化鐵納米顆粒包被葡萄糖氧化酶(Fe3O4-GOx)外殼的納米酶來制作的。Fe3O4-GOx具有內在的葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOx)、過氧化氫酶(catalase,CAT)和過氧化物酶(peroxidase,POD)樣活性,可以分別在酸性和中性環境下催化pH可切換的葡萄糖引發的GOx/POD和GOx/CAT級聯反應。具體來說,GOx/POD級聯反應產生連續的有毒羥基自由基通量,在空間上靶向酸性生物膜,并清除生物膜,縮短炎癥期,啟動正常的傷口愈合過程。

3 結 語

基于納米顆粒的治療方法憑借其更大的療效和特異性,與更少的系統副作用,在促進創面血管增生、神經修復、抑制炎癥反應和抗感染方面表現出巨大的潛力。然而,現有的納米材料在治療糖尿病足潰瘍方面仍有些局限性:(1) 作用途徑單一,聯合局部用藥與全身給藥方面研究薄弱。(2) 治療僅局限在傷口愈合的某個階段,創新的納米材料需要調節傷口愈合的各個階段,具有抗菌性能、促進組織修復性能、自愈性能、優異的機械性能和傷口敷料的黏附能力,將提高臨床應用的性能。(3) 納米顆粒引起的不良生物效應應該進一步研究,納米顆粒療法的發展應該在考慮納米安全問題的情況下謹慎進行。因此,這些研究方向是未來該領域研究人員的重要研究方向。努力提高納米顆粒傷口治療的療效應該與研究基于納米顆粒的治療的長期和短期效果以及支持它們的機制同時進行。目前利用納米技術治療糖尿病傷口愈合的方法正以指數速度出現,這一新興領域的進一步研究和發展將對傷口再生治療產生積極影響。因此,基于納米技術的療法很可能成為下一個突破的前沿,以滿足慢性傷口愈合的臨床需求。