Dissolved oxygen from microalgae-gel patch promotes chronic wound healing in diabetes

微藻凝膠貼劑中的溶解氧促進糖尿病患者的慢性傷口愈合

來源：Chen et al., Sci. Adv. 2020; 6 : eaba4311 15 May 2020

 

1. 論文摘要核心內容

 

本研究開發了一種基于活體微藻水凝膠貼片（AGP）的創新傷口敷料，用于治療糖尿病慢性傷口（如糖尿病足潰瘍）：

 

作用機制：貼片中的聚球藻（Synechococcus elongatusPCC7942）通過光合作用持續產生溶解氧（TDO），穿透皮膚效率比傳統氣態氧療法（TGO）高>100倍（圖1H）。

 

療效驗證：

 

體外促進細胞增殖、遷移和血管形成（圖2）；

 

在糖尿病小鼠模型中加速傷口閉合（45%愈合率 vs. TGO的20%，圖3B），皮瓣存活率提升至82%（對照組僅3%，圖4C）；

 

 

 

將慢性傷口轉化為急性愈合表型，下調缺氧因子HIF-1α，上調血管生成因子VEGF（圖3J, 4H）。

 

創新點：首款利用生物光合作用持續供氧的敷料，成本低廉（<1美元/片），兼具抗菌性。

 

2. 研究目的

 

1.解決臨床痛點：糖尿病慢性傷口因缺氧導致血管生成受損，傳統氧療（如高壓氧HBO、局部氣態氧TGO）滲透性差、作用短暫。

2.利用溶解氧優勢：溶解氧穿透皮膚深度（>700μm）遠超氣態氧（300μm），可直達深層組織（圖1H）。

3.開發可持續氧源：通過微藻光合作用實現持續、可控的氧釋放。

 

3. 研究思路

 

1.貼片設計與制備（圖1A-C）：

 

核心結構：微藻包裹于海藻酸鈣水凝膠珠（直徑1mm），夾層為親水性聚四氟乙烯（PTFE）膜（允許氣體/水滲透，阻隔細菌）。

 

控氧機制：光照觸發光合作用產氧，黑暗時呼吸作用降低氧濃度（圖1D）。

2.體外驗證：

 

氧釋放動力學：Unisense電極證實光照下溶解氧濃度達600μM（圖1D），碳酸鈉添加進一步提升產氧量（圖1F）。

 

細胞效應：AGP促進人臍靜脈內皮細胞（HUVEC）、角質形成細胞（HaCaT）遷移和血管形成（圖2F-K）。

3.體內療效：

 

糖尿病小鼠模型：鏈脲佐菌素（STZ）誘導糖尿病，建立全層皮膚缺損傷口。

 

傷口愈合：AGP治療組12天愈合率達45%（對照組20%），上皮化加速（圖3A-D）。

 

皮瓣存活：AGP組皮瓣壞死率僅18%（TGO組58%），血管密度顯著增加（圖4A-G）。

 

4. 關鍵數據及研究意義

(1) 溶解氧釋放與皮膚滲透（圖1）

 

 

數據：

 

光照下溶解氧濃度30分鐘內從0升至600μM（圖1D）；

 

穿透小鼠皮膚后，AGP組氧濃度達240μM，TGO組幾乎為0（圖1H）。

 

意義：直接證明溶解氧穿透皮膚的高效性，為AGP的臨床優勢提供核心證據。

 

(2) 體外細胞功能促進（圖2）

 

 

數據：

 

AGP使HUVEC遷移率提升2倍（圖2H-I），血管形成能力增強（管長度+40%，圖2J-K）；

 

下調缺氧標志物HIF-1α（圖2B-C）。

 

意義：揭示AGP通過改善缺氧微環境促進細胞修復功能。

 

(3) 動物模型療效（圖3-4）

 

 

數據：

 

傷口愈合：AGP組第6天愈合率45%（TGO組20%），膠原沉積增加（圖3D,H）；

 

皮瓣存活：AGP組血管密度達66.9%（對照組13.1%），HIF-1α表達降低（圖4E-G）；

 

分子機制：VEGF/HIF-1α比值提升2.48倍（圖4I）。

 

意義：證實AGP通過促血管生成和緩解缺氧加速傷口愈合。

 

(4) 安全性及穩定性（圖1I）

 

 

數據：AGP在4°C儲存15天仍保持>1000μM氧釋放能力（圖1I）。

 

意義：確保臨床應用的可行性與長效性。

 

5. 丹麥Unisense電極的核心價值

(1) 技術原理

 

 

功能：實時監測溶液中溶解氧（DO）濃度動態變化（方法2.6）。

 

實驗設計：用于量化AGP在不同條件下的氧釋放動力學（圖1D-F）。

 

(2) 關鍵發現（圖1D-F）

 

 

光控氧釋放：光照30分鐘DO從0→600μM，黑暗時反向下降（圖1D），證明微藻光合/呼吸作用的可控性。

 

碳酸鈉增強效應：添加500μM Na?CO?使DO峰值提升至1400μM（圖1F），為配方優化提供依據。

 

緩釋特性：DO濃度隨時間呈緩釋曲線（30分鐘達平臺期），符合治療需求。

 

(3) 研究意義

 

 

機制驗證：直接量化AGP的氧釋放能力，排除間接檢測方法（如熒光探針）的誤差風險。

 

劑量優化：確定微藻最佳濃度（1×10? cells/ml，圖1E）和碳酸鈉添加量，最大化療效。

 

技術優勢：高時空分辨率捕捉動態過程（秒級響應），優于傳統終點法檢測。

 

6. 結論

 

1.AGP有效性：溶解氧穿透深度>100倍于氣態氧，顯著加速糖尿病傷口愈合（12天愈合率45%）和皮瓣存活（壞死率降至18%）。

2.機制明確：通過下調HIF-1α、上調VEGF，促進血管生成，逆轉慢性傷口缺氧微環境。

3.臨床價值：低成本（<1美元/片）、長效穩定（15天活性）、無免疫原性，為糖尿病足潰瘍提供革新療法。

4.Unisense電極貢獻：精準量化氧釋放動力學，為AGP的設計優化和機制闡釋提供不可替代的數據支持。

 

總結

 

本研究通過丹麥Unisense電極的動態監測，結合多維度實驗驗證，首次闡明：

 

1.溶解氧的核心優勢：高效穿透皮膚，直達深層缺氧組織；

2.AGP的設計科學性：微藻光合作用提供持續、可控氧源；

3.Unisense技術的不可替代性：

 

實時捕捉氧釋放動力學，指導劑量優化；

 

驗證光照/黑暗切換的氧控能力；

 

為轉化醫學提供精準數據支撐。

 

該研究為糖尿病慢性傷口治療開辟了新途徑，Unisense電極在此過程中發揮了關鍵的機制解碼和技術優化作用。