发表文献：

Mechano-activated cell therapy for accelerated diabetic wound healing

PMID:37681325 

DOI: 10.1002/adma.202304638 

 

影响因子：

 29.4

发表期刊：

ADVANCED MATERIALS

 

SAB引用产品

53240    Ki67 Rabbit Polyclonal Antibody

 

慢性糖尿病患者的伤口愈合是全球医疗保健所面临的重大挑战。然而，目前的治疗方法，例如生物材料疗法，细胞疗法和医疗装置疗法等，仅能治愈少数类型的病症伤口，疗效却十分的有限。

新加坡国立大学寿宇峰博士等人研发出了一种有效的平台技术，将磁感应水凝胶、细胞和无线磁诱导动态机械刺激 (MDMS)相结合，以促进糖尿病患者的伤口愈合。本文所使用的水凝胶已获FDA的批准，其中封装了成纤维细胞和角质形成细胞，可在糖尿病小鼠模型中实现约3倍的伤口闭合疗效。MDMS充当非遗传性机械变阻器来激活成纤维细胞，通过Ras/MEK/ERK通路促进血管生成以改善角质形成细胞的旁分泌特征，并且使得细胞组织的增殖效果提高约240%，胶原蛋白沉积量增加了约220%。磁感应特性还可以通过增加网状系统的变形和间质流动来按需释放胰岛素，以实现葡萄糖的时空调节。通过研究scRNAseq的数据，确定了一种机械敏感性的成纤维细胞亚群，可以对该亚群进行机械性调节以增强细胞增殖效果和胶原蛋白生成量，从而最大限度的提高治疗效果。该“一体化”系统已在单一平台上解决了与糖尿病患者伤口相关的主要病理因素，并有可能应用于其他具有挑战性的伤口类型。

Result

 

 

●磁感应水凝胶的构建和表征

● MDMS通过Ras/MEK/ERK通路机械调节细胞增殖和细胞外基质沉积

● 血管生成效应会机械性控制角质形成细胞的旁分泌特征

● 通过选择性激活机械敏感性成纤维细胞来最大限度地提高治疗效果

● 通过机械性刺激来增强生物分子的释放与细胞迁移

● 一体化系统机械性促进糖尿病患者体内伤口愈合

 

核增殖标志物Ki67的表达用于研究MDMS对成纤维细胞和角质形成细胞增殖的影响。当细胞分别培养和机械刺激时，成纤维细胞中Ki67的阳性率（~68%）高于角质形成细胞（~47%）。在共培养系统中，3天的MDMS分别诱导成纤维细胞和角质形成细胞增殖增加约200%和约25%（图3a和图S8，支持信息）。这可能归因于MDMS激活和诱导Yes相关蛋白（YAP）的核转位，YAP是众所周知的细胞机械转导的转录辅激活因子。[41]在核易位后，YAP可以通过诱导Ki67上调基因表达并促进细胞增殖（图3b和图S9，支持信息），并将成纤维细胞群体转变为“预激活”表型。[42]MDMS没有引起角质形成细胞数量的明显变化（图S8b，支持信息），可能是因为这种细胞类型表现出圆形形态，而成纤维细胞则传播得更多（即具有更大的表面积和分支结构），因此对机械刺激更敏感。有趣的是，在共培养系统中，即使在没有机械刺激的情况下，两种细胞类型都显示出Ki67表达增加。这突出了使用具有不同功能的两种细胞类型进行伤口治疗的重要性，并表明了机械刺激成纤维细胞并利用其与角质形成细胞的耦合通信来间接扩展机械“变阻器”控制的潜力。

 

图S8

 

 

在单一或共培养系统中，有/无磁感应机械刺激的情况下，a)人成纤维细胞和b)角质形成细胞中 Ki67 表达的条形图。各细胞类型单独培养时，机械刺激优先促进真皮成纤维细胞增殖，而对表皮角质形成细胞无明显影响。机械刺激改善了共培养系统中两种细胞类型的增殖。P值是使用单向方差分析计算的。数据显示为平均值±SD，n = 3。统计显着性表示为*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001和****p < 0.0001。

 

图3

 

 

MDMS下PEGDA-RGD-TMP水凝胶中的细胞扩增和ECM沉积。a） 有/没有MDMS的Ki67表达的荧光图像（蓝色：细胞核；红色：Ki67；绿色：角蛋白14，角质形成细胞的标志物）。MDMS优先增加真皮成纤维细胞（FB）的增殖，但不增加表皮角质形成细胞（KC）的增殖。而共培养系统改善了这两种细胞类型的增殖。b） 更高力度的MDMS增加了成纤维细胞中细胞增殖相关（MKI67和YAP1）和ECM相关（COL1A1和FN1）蛋白的表达。c-e）在不同力大小和刺激持续时间下MDMS下人FB的Ki67阳性率的图。Ki67+%的最高值出现在较强的力值和刺激3天后。“刺激-悬浮液再刺激”机制可以作为机械变阻器来调节FBs的生物功能。f） 含有/不含有MDMS的FBs新合成的I型胶原的荧光图像（蓝色：细胞核；绿色：I型胶原）。使用单因素方差分析计算P值。数据显示为平均值±标准差，n=3，统计显著性表示为*p<0.05和**p<0.01

 

 

图8包括组织再生、ECM结构成分、重塑酶、生长因子和炎症介质在内的基因的大量组织基因表达分析。基因表达水平的折叠变化差异显示在热图中；每行代表一种处理条件的平均基因表达谱，每列代表一个基因。

 

 

图S25 YAP1和MKi67的大块组织基因表达分析，这是机械治疗的关键指标。使用单因素方差分析计算P值。数据显示为平均值±标准差，n=6。统计学显著性表示为**p<0.01和***p<0.001。

 

基因表达数据有力地支持了组织组织学观察（图8）。使用与伤口愈合相关的最相关基因库，发现在不同的组中，使用“Hydrogel+MDMS+细胞”策略的条件清楚地显示出YAP1和MKi67的显著上调，这是细胞机械激活的重要指标，因此表明机械治疗方法产生了重大影响（图S25，支持信息）。[19，63]类似地，参与组织再生的基因，包括EGR1和MFGE8升高。支持更好的细胞增殖和募集的多种关键促血管生成和促愈合生长因子，即VEGFA、FGF2和EGF的基因表达水平也升高[17]，与以前的体外数据一致。基质金属蛋白酶（MMP2/9）在ECM重塑和内皮细胞新生血管募集中发挥关键作用[64，65]，在反应中也显著上调。观察到TIMP增加（金属蛋白酶组织抑制剂），一种由基底角质形成细胞产生的MMPs的重要抑制剂，在“3Day/20mm”水凝胶治疗的伤口中。这表明MMPs及其抑制剂之间实现了稳态平衡，反映了伤口在更成熟阶段的主动重塑。[66]最后，在所有组中，与炎症相关的基因表达水平相似，这表明该材料具有生物相容性，使用细胞生物绷带的策略也可以最大限度地减少不必要的炎症。

Conclusion

 

 

总体而言，平台协同整合了磁感应水凝胶共培养成纤维细胞/角质形成细胞系统和无线磁诱导动态机械刺激的优势，指明了糖尿病患者伤口的治愈希望。利用无线MDMS机械调节被封装细胞的生物功能，同时改善细胞增殖、ECM沉积、VEGF生成、细胞迁移和伤口闭合的效果。研究结果表明，机械刺激优先激活成纤维细胞，成纤维细胞在整合和转化机械信号以调节角质形成细胞活性方面发挥着关键作用。利用公开的单细胞 RNAseq 数据，鉴定了成纤维细胞的机械敏感性分泌网状亚群的表征，其生物功能可以通过MDMS得到极大的控制。设想，在临床上，该非侵入性细胞水凝胶绷带系统可以与常规敷料类似地使用，并且患者可以选择使用便携式磁力系统在家中舒适的进行MDMS。用于治疗的生物材料介导的细胞机械调节概念也可用于FDA批准的其他细胞类型，例如干细胞和CAR-T细胞，以最大限度地提高治疗效果和安全性。