糖尿病足潰瘍納米材料治療進(jìn)展

任 鵬,商 艷,袁良喜

(1.海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院全科醫(yī)學(xué)科,上海 200433; 2.海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院血管外科,上海 200433)

當(dāng)前臨床上糖尿病足潰瘍的治療主要包括微創(chuàng)清創(chuàng)術(shù)、血運(yùn)重建術(shù)以及傷口敷料、負(fù)壓創(chuàng)面治療、抗生素抗感染、生長因子、干細(xì)胞和皮膚替代品在內(nèi)的治療手段,并成為預(yù)防截肢的重要工具[3]。然而,傳統(tǒng)敷料功能單一,需要頻繁更換;長期反復(fù)清創(chuàng)給患者帶來極大的痛苦和巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。此外,耐藥微生物的出現(xiàn)使抗生素治療效果不佳[4-6]。基因治療、生長因子治療和干細(xì)胞治療等輔助治療逐漸在臨床上被重視。然而,體內(nèi)蛋白酶會(huì)導(dǎo)致這些物質(zhì)在人體內(nèi)半衰期短和藥物清除率增加[7],并且具有對(duì)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(duì)機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)等缺點(diǎn)[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(zhuǎn)向先進(jìn)的納米技術(shù)。

1 糖尿病足潰瘍創(chuàng)面愈合的特點(diǎn)

2 糖尿病足潰瘍納米材料治療進(jìn)展

近年來,納米技術(shù)成為糖尿病患者及其相關(guān)并發(fā)癥治療的研究熱點(diǎn)之一。納米顆粒是納米范圍內(nèi)的顆粒,可以作為一個(gè)單一的實(shí)體,具有不同的大小和形態(tài)[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(diǎn)更好地相互作用,并增加傷口部位的滲透。納米顆粒保護(hù)藥物不被酶降解,增加藥代動(dòng)力學(xué),防止藥物泄漏到預(yù)期位置以外的任何其他位置,而不會(huì)對(duì)正常細(xì)胞本身產(chǎn)生太大影響。外周動(dòng)脈疾病、神經(jīng)病變、炎癥因子的持續(xù)釋放和感染是影響糖尿病足潰瘍發(fā)展的關(guān)鍵因素。本文介紹基于糖尿病足潰瘍發(fā)病的病理生理及細(xì)胞分子基礎(chǔ)的納米療法的研究進(jìn)展。

2.1 改善周圍神經(jīng)病變的納米材料

2.1.1 降低潰瘍創(chuàng)面血糖 高血糖是影響糖尿病足潰瘍神經(jīng)病變的主要因素,神經(jīng)病變嚴(yán)重程度與暴露于高血糖的持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度影響呈正相關(guān)。降低血糖有利于減輕患者神經(jīng)病變的進(jìn)展,以減輕疼痛,提高生活質(zhì)量。然而,大多數(shù)藥物的生物利用度低且治療效果不佳?；诩{米材料調(diào)節(jié)藥物釋放以提高生物利用度的能力,在納米載體中負(fù)載降糖藥物是降低糖尿病足創(chuàng)面血糖的有效方法之一。Liang等[12]研制出pH/葡萄糖雙響應(yīng)性二甲雙胍緩釋水凝膠敷料,實(shí)現(xiàn)了二甲雙胍在高血糖創(chuàng)面環(huán)境中的釋放,降低小鼠潰瘍創(chuàng)面血糖并減弱創(chuàng)面炎癥,促進(jìn)膠原沉積和創(chuàng)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(duì)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(fù)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(tǒng)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(xué)理學(xué)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(lián)合超聲微波輔助程序用于制備ZnO納米顆粒,結(jié)果顯示豆瓣菜葉提取物憑借其植物化學(xué)成分對(duì)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(jīng)節(jié) 高血糖常引起背根神經(jīng)節(jié)中電壓門控鈉通道的上調(diào)。背根神經(jīng)節(jié)中鈉通道開放頻率增加使細(xì)胞內(nèi)鈉離子水平升高,進(jìn)一步導(dǎo)致鈣通道開放增加,并刺激其他途徑導(dǎo)致糖尿病周圍神經(jīng)病變[19]。背根神經(jīng)節(jié)參與產(chǎn)生外周血小板活化因子、炎癥和神經(jīng)性疼痛[20]。許多藥物應(yīng)用于背根神經(jīng)節(jié)的對(duì)癥治療,但由于作用部位的藥物傳遞不足,導(dǎo)致效果不佳[21]。納米顆粒具有顯著而獨(dú)特的機(jī)械化、化學(xué)和光學(xué)特性,是治療糖尿病周圍神經(jīng)病變的理想藥物。一項(xiàng)研究表明,CeO2(二氧化鈰)納米顆粒在抗氧化損傷中發(fā)揮重要作用,并對(duì)糖尿病神經(jīng)病變表現(xiàn)出保護(hù)作用,是抑制糖尿病神經(jīng)損傷的優(yōu)良藥物[22]。Kobyliak等[23]用二氧化鈰納米顆粒治療神經(jīng)性糖尿病足潰瘍患者,表現(xiàn)出良好的療效。P2X3受體過表達(dá)在周圍神經(jīng)病變中起關(guān)鍵作用[24]。Jia等[25]研究發(fā)現(xiàn)負(fù)載大黃素的納米顆粒降低了2型糖尿病背根神經(jīng)節(jié)中ERK1/2的磷酸化和活化,顯著抑制轉(zhuǎn)染P2X3受體的HEK293細(xì)胞中P2X3激動(dòng)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(jīng)節(jié)P2X3受體介導(dǎo)的興奮性傳遞來減輕周圍神經(jīng)損傷。背根神經(jīng)節(jié)病變導(dǎo)致的糖尿病足創(chuàng)面神經(jīng)元損傷是影響其愈合的重要病理生理機(jī)制,靶向背根神經(jīng)節(jié)的納米材料研究在促進(jìn)糖尿病足潰瘍創(chuàng)面愈合上有巨大潛在價(jià)值。

2.2 改善周圍血管病變的納米材料

2.2.1 促進(jìn)NO釋放 在傷口愈合過程中,內(nèi)源性一氧化氮(nitric oxide,NO)合成已被證明具有抑制炎癥、促進(jìn)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(jī)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(shè)計(jì)了一個(gè)具有核殼結(jié)構(gòu)的NO持續(xù)釋放系統(tǒng)。通過研究表明可降解的HKUST-1釋放的額外銅離子與NO協(xié)同作用,促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞生長,顯著改善創(chuàng)面血管生成、膠原沉積和抗炎性能,最終加速糖尿病創(chuàng)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(zhàn)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(jià)結(jié)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(fù)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(jìn)了小鼠創(chuàng)面愈合。有關(guān)促進(jìn)一氧化氮釋放納米材料的研究已趨于成熟,在促進(jìn)創(chuàng)面血管生成加速創(chuàng)面愈合方面表現(xiàn)出潛在優(yōu)勢(shì)。

2.2.3 調(diào)節(jié)HIF-1/VEGF軸 創(chuàng)面愈合是一個(gè)系統(tǒng)的、動(dòng)態(tài)的過程,涉及到上皮化、血管生成、肉芽組織形成和創(chuàng)面收縮,所有這些過程都受缺氧誘導(dǎo)因子1-α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)調(diào)控[29]。在正常組織中,HIF-1α的穩(wěn)態(tài)水平較低,這是由于脯氨酸羥化酶結(jié)構(gòu)域蛋白對(duì)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(dá)受到抑制,因此恢復(fù)HIF-1α表達(dá)是改善糖尿病足潰瘍愈合的關(guān)鍵之一。Yang等[30]研究了一種智能近紅外觸發(fā)的NO納米發(fā)生器(SNP@MOF-UCNP@ssPDA-Cy7/IR786s,縮寫為SNP@UCM),該研究發(fā)現(xiàn)SNP@UCM與對(duì)照處理相比,近紅外照射顯著促進(jìn)了VEGF mRNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)。SNP@UCM近紅外照射處理的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)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(duì)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(dǎo)遷移能力,也降低了VEGF的表達(dá)。SNP@UCM在近紅外輻射下,通過抑制泛素化介導(dǎo)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(qiáng)傷口部位的血管生成、促進(jìn)血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)的分泌以及細(xì)胞增殖和遷移來促進(jìn)創(chuàng)面愈合[30]。HIF-1/VEGF軸的調(diào)節(jié)對(duì)于糖尿病足局部潰瘍創(chuàng)面血管的恢復(fù)是一個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn),基于此發(fā)病機(jī)制的相關(guān)納米材料研究也將更加深入。

2.3 調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)的納米材料

2.3.2 促進(jìn) Keap1產(chǎn)生、減少Nrf2糖尿病慢性高血糖導(dǎo)致ROS失衡和Kelch樣ECH相關(guān)蛋白1(Keap1)過度產(chǎn)生,導(dǎo)致調(diào)節(jié)糖尿病氧化應(yīng)激的核因子紅細(xì)胞2相關(guān)因子2(Nrf2)降解[34-35]。在傷口修復(fù)過程中各種ROS解毒酶和其他細(xì)胞保護(hù)蛋白發(fā)揮了重要作用,然而這些基因的表達(dá)許多都受到Nrf2轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)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(jī)制,研究發(fā)現(xiàn)在糖尿患者臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞中的ROS水平和與氧化損傷和炎癥相關(guān)的基因表達(dá)被tFNAs減弱,在用tFNAs治療的糖尿患者臍靜脈內(nèi)皮細(xì)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(nèi)實(shí)驗(yàn)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(jìn)糖尿病傷口愈合。

2.3.3 調(diào)節(jié)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(chǎn)生延長了糖尿病創(chuàng)面損傷的恢復(fù)時(shí)間,因此減輕糖尿病創(chuàng)面微環(huán)境中氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)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(fù)載水凝膠,通過中和炎癥細(xì)胞因子和活性氧等有害因素來促進(jìn)糖尿病傷口愈合。并通過研究證明沸石納米顆粒協(xié)同消除線粒體ROS,中和游離炎癥因子,重塑創(chuàng)面抗炎微環(huán)境,促進(jìn)血管生成。Xu等[38]合成了基于傷口敷料的普魯士藍(lán)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(yīng)激的背景下,這些PBNP能夠防止細(xì)胞毒性,保護(hù)線粒體免受氧化應(yīng)激相關(guān)損傷。應(yīng)用于小鼠創(chuàng)面后能夠改善糖尿病傷口愈合,促進(jìn)血管生成,并降低糖尿病傷口內(nèi)促炎IL-6和TNF-α水平。有關(guān)ROS相應(yīng)的納米材料一直以來是糖尿病足納米藥物研究的熱點(diǎn),同時(shí)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(chuàng)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(dāng)細(xì)菌形成生物膜時(shí),細(xì)胞被嵌入一種自產(chǎn)的聚合物基質(zhì)中,這使它們免受宿主免疫系統(tǒng)和抗生素的保護(hù)[40]。因此,盡管進(jìn)行了全身抗生素治療,糖尿病足中的生物膜的存在導(dǎo)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(jīng)得到了證實(shí)。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(dú)特地穿透生物膜,一旦進(jìn)入生物膜的低pH環(huán)境,就會(huì)靶向細(xì)菌細(xì)胞表面,并通過細(xì)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(nèi)外協(xié)同”鈦-生物膜的概念,其中聲催化產(chǎn)生的H2和空穴分別快速滲透到生物膜中以抑制細(xì)菌能量代謝和氧化剝奪生物膜中的環(huán)溶糖/NADH以破壞細(xì)菌膜/電子傳輸鏈,內(nèi)外協(xié)同根除生物膜。研究中建立了細(xì)菌感染的糖尿病傷口模型,證實(shí)了聲催化氫/孔聯(lián)合治療具有良好的體內(nèi)抗菌性能,顯著改善了細(xì)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(xiàn),新的納米顆粒策略為破壞和滅活生物膜細(xì)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(zhì)金屬蛋白酶(matrix metallopro-teinase,MMP)表達(dá) MMP在正常生理功能中發(fā)揮作用,如發(fā)育和重塑。在感染過程中,T細(xì)胞活化可誘導(dǎo)MMP-2和MMP-9的表達(dá),而T細(xì)胞遷移則由MMP-9介導(dǎo)。感染期間過量的MMP活性會(huì)導(dǎo)致宿主的組織損傷[44]。而MMP-9的基因消融增強(qiáng)了糖尿病傷口愈合,從而證實(shí)了MMP-9的有害作用[45]。Krishnan等[46]利用短芽孢桿菌KN8(2)的培養(yǎng)濾液合成AgNPs,其研究結(jié)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(dá),從而促進(jìn)傷口早期愈合。

2.4.3 改善創(chuàng)面pH 糖尿病足的pH環(huán)境一般范圍廣泛的動(dòng)態(tài)過程,與不同微生物的定殖、發(fā)病時(shí)間、嚴(yán)重程度、創(chuàng)面階段等多種因素有關(guān)。因此,根據(jù)pH變化的多樣性,Du等[47]提出了一種pH可切換的納米酶級(jí)聯(lián)催化(pH-switchable nanozyme cascade catalysis,PNCC)策略,用于調(diào)節(jié)病理性傷口微環(huán)境,以挽救糖尿病足中停滯的愈合。PNCC是通過使用臨床批準(zhǔn)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(nèi)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(huán)境下催化pH可切換的葡萄糖引發(fā)的GOx/POD和GOx/CAT級(jí)聯(lián)反應(yīng)。具體來說,GOx/POD級(jí)聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生連續(xù)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(dòng)正常的傷口愈合過程。

3 結(jié) 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(tǒng)副作用,在促進(jìn)創(chuàng)面血管增生、神經(jīng)修復(fù)、抑制炎癥反應(yīng)和抗感染方面表現(xiàn)出巨大的潛力。然而,現(xiàn)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(lián)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(gè)階段,創(chuàng)新的納米材料需要調(diào)節(jié)傷口愈合的各個(gè)階段,具有抗菌性能、促進(jìn)組織修復(fù)性能、自愈性能、優(yōu)異的機(jī)械性能和傷口敷料的黏附能力,將提高臨床應(yīng)用的性能。(3) 納米顆粒引起的不良生物效應(yīng)應(yīng)該進(jìn)一步研究,納米顆粒療法的發(fā)展應(yīng)該在考慮納米安全問題的情況下謹(jǐn)慎進(jìn)行。因此,這些研究方向是未來該領(lǐng)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(yīng)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(jī)制同時(shí)進(jìn)行。目前利用納米技術(shù)治療糖尿病傷口愈合的方法正以指數(shù)速度出現(xiàn),這一新興領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和發(fā)展將對(duì)傷口再生治療產(chǎn)生積極影響。因此,基于納米技術(shù)的療法很可能成為下一個(gè)突破的前沿,以滿足慢性傷口愈合的臨床需求。