文獻速遞：多功能DNA水凝膠促進糖尿病牙槽骨缺損重建過程
近日，四川大學華西醫(yī)院童南偉團隊在多功能水凝膠研發(fā)方面取得了研究進展。相關研究成果已發(fā)表在國際知名期刊《small》(IF= 15.153、一區(qū)top期刊)上。
糖尿病牙槽骨缺損（DABD）會導致細菌感染持續(xù)、長期炎癥以及骨愈合延遲，使其成為一個相當大的臨床挑戰(zhàn)。研究中，研究人員通過整合銀納米簇（AgNC）和M2巨噬細胞衍生的細胞外囊泡（M2EV），開發(fā)了一種名為Agevgel的多功能DNA水凝膠，該種水凝膠具有抗菌、抗炎、免疫調(diào)節(jié)和成骨特性，可促進DABD重建過程。
中性粒細胞是最常見的先天免疫效應細胞，具有靶向炎癥和消除病原體的能力。中性粒細胞釋放的中性粒細胞彈性蛋白酶 (ELANE) 或其同源物（豬胰腺彈性蛋白酶 (PPE)）可以殺死多種癌細胞類型，同時保留非癌細胞并引發(fā)遠隔手術由細胞毒性 T 淋巴細胞介導的作用，可減弱原發(fā)性和遠端腫瘤的生長。然而， ELANE/PPE單獨的殺傷癌細胞效果不理想，并且免疫激活不足的性質(zhì)導致其在腫瘤應用中受限。因此需要增強 ELANE/PPE 的腫瘤細胞殺傷活性，同時保留精確的靶向能力，以實現(xiàn)最大的治療效果。
先前的研究已證明各種多功能水凝膠系統(tǒng)可用于牙槽骨損傷后的骨再生。DNA是一種出色的生物工程材料，用于構建水凝膠作為局部輸送載體。與基于合成或天然聚合物的水凝膠相比，DNA水凝膠具有獨特的優(yōu)勢，例如優(yōu)異的生物相容性、可降解性和可調(diào)節(jié)的機械性能。此外，制備物理交聯(lián)的DNA水凝膠快速且容易，適合封裝生物活性分子甚至活細胞。DNA水凝膠已被用作牙周疾病基于細胞因子的免疫治療的支架。AgNCs也可以使用DNA作為支架在水溶液中合成和穩(wěn)定。因此，使用DNA模板AgNCs構建DNA水凝膠可以提供理想的抗菌支架。
巨噬細胞還參與骨修復通過與間充質(zhì)干細胞 (MSC) 相互作用進行再生，其中細胞外囊泡 (EV) 對于細胞通訊至關重要。小細胞外囊泡 (sEV) 是一種直徑<200 nm 的 EV 亞型。先前的研究表明，基于M2巨噬細胞衍生的sEV（M2EV）的治療策略在骨修復方面很有前景。然而，sEV的臨床應用有限體內(nèi)清除速度快，導致局部濃度不足，治療效果低。此外，直接給藥時，sEV 很容易擴散到治療部位之外，存在安全問題。因此，需要開發(fā)合適的 M2EV 支架來維持其治療活性，同時抑制副作用。
M2EV 可用于治療糖尿病牙槽骨缺損 (DABD)。一方面，M2EVs和AgNCs的協(xié)同合作可以加速DABD病理過程的愈合。另一方面，粘附性DNA水凝膠不僅為AgNCs和M2EVs以時間依賴性方式持續(xù)釋放提供了理想的藥物平臺，而且還可以作為不同形狀的DABDs的人工細胞外基質(zhì)進行擬合，避免受到外部不利因素的影響。此類 DNA 水凝膠從未用于 sEV 遞送，并且其治療效果尚未在 DABD 模型中進行評估。
考慮到上述關鍵問題以及 M2EV、AgNC 和 DNA 水凝膠系統(tǒng)的優(yōu)點，在本研究中開發(fā)了一種多功能 DNA 水凝膠，名為 Agevgel。通過將 AgNC 和 M2EV 整合到 DNA 水凝膠中來促進 DABD 重建。Agevgel 水凝膠可以提供生物粘附性，無需注射即可修復骨缺損，并且可以通過持續(xù)釋放 AgNC 和 M2EV 來增強牙槽骨的重建。
糖尿病牙槽骨缺損（DABD）會導致細菌感染持續(xù)、長期炎癥以及骨愈合延遲，使其成為一個相當大的臨床挑戰(zhàn)。研究中，研究人員通過整合銀納米簇（AgNC）和M2巨噬細胞衍生的細胞外囊泡（M2EV），開發(fā)了一種名為Agevgel的多功能DNA水凝膠，該種水凝膠具有抗菌、抗炎、免疫調(diào)節(jié)和成骨特性，可促進DABD重建過程。
中性粒細胞是最常見的先天免疫效應細胞，具有靶向炎癥和消除病原體的能力。中性粒細胞釋放的中性粒細胞彈性蛋白酶 (ELANE) 或其同源物（豬胰腺彈性蛋白酶 (PPE)）可以殺死多種癌細胞類型，同時保留非癌細胞并引發(fā)遠隔手術由細胞毒性 T 淋巴細胞介導的作用，可減弱原發(fā)性和遠端腫瘤的生長。然而， ELANE/PPE單獨的殺傷癌細胞效果不理想，并且免疫激活不足的性質(zhì)導致其在腫瘤應用中受限。因此需要增強 ELANE/PPE 的腫瘤細胞殺傷活性，同時保留精確的靶向能力，以實現(xiàn)最大的治療效果。
先前的研究已證明各種多功能水凝膠系統(tǒng)可用于牙槽骨損傷后的骨再生。DNA是一種出色的生物工程材料，用于構建水凝膠作為局部輸送載體。與基于合成或天然聚合物的水凝膠相比，DNA水凝膠具有獨特的優(yōu)勢，例如優(yōu)異的生物相容性、可降解性和可調(diào)節(jié)的機械性能。此外，制備物理交聯(lián)的DNA水凝膠快速且容易，適合封裝生物活性分子甚至活細胞。DNA水凝膠已被用作牙周疾病基于細胞因子的免疫治療的支架。AgNCs也可以使用DNA作為支架在水溶液中合成和穩(wěn)定。因此，使用DNA模板AgNCs構建DNA水凝膠可以提供理想的抗菌支架。
巨噬細胞還參與骨修復通過與間充質(zhì)干細胞 (MSC) 相互作用進行再生，其中細胞外囊泡 (EV) 對于細胞通訊至關重要。小細胞外囊泡 (sEV) 是一種直徑<200 nm 的 EV 亞型。先前的研究表明，基于M2巨噬細胞衍生的sEV（M2EV）的治療策略在骨修復方面很有前景。然而，sEV的臨床應用有限體內(nèi)清除速度快，導致局部濃度不足，治療效果低。此外，直接給藥時，sEV 很容易擴散到治療部位之外，存在安全問題。因此，需要開發(fā)合適的 M2EV 支架來維持其治療活性，同時抑制副作用。
M2EV 可用于治療糖尿病牙槽骨缺損 (DABD)。一方面，M2EVs和AgNCs的協(xié)同合作可以加速DABD病理過程的愈合。另一方面，粘附性DNA水凝膠不僅為AgNCs和M2EVs以時間依賴性方式持續(xù)釋放提供了理想的藥物平臺，而且還可以作為不同形狀的DABDs的人工細胞外基質(zhì)進行擬合，避免受到外部不利因素的影響。此類 DNA 水凝膠從未用于 sEV 遞送，并且其治療效果尚未在 DABD 模型中進行評估。
考慮到上述關鍵問題以及 M2EV、AgNC 和 DNA 水凝膠系統(tǒng)的優(yōu)點，在本研究中開發(fā)了一種多功能 DNA 水凝膠，名為 Agevgel。通過將 AgNC 和 M2EV 整合到 DNA 水凝膠中來促進 DABD 重建。Agevgel 水凝膠可以提供生物粘附性，無需注射即可修復骨缺損，并且可以通過持續(xù)釋放 AgNC 和 M2EV 來增強牙槽骨的重建。
▲ 用 Agevgel和游離 M2EV 治療后第 0、3 和 7 天 DABD 區(qū)域的相對熒光變化在應用活體成像評估AgevgelM2EV 治療效果的實驗中，使用博鷺騰AniView系列多模式動物活體成像系統(tǒng)進行拍攝。從成像結果可見，兩組的熒光強度逐漸減弱，但Agevgel組的熒光強度明顯高于Free-EV組。并且能夠看出，給藥后7天，Agevgel 組檢測到強熒光信號，而 Free-EV 組未檢測到熒光信號。
總而言之，在該研究中評估了Agevgel的治療效果，發(fā)現(xiàn)AgNCs、M2EVs和DNA水凝膠的組合通過持續(xù)供應AgNCs和M2EVs，消除細菌感染和治療，實現(xiàn)了DABD的免疫調(diào)節(jié)和愈合的最佳微環(huán)境。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/smll.202305594
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