蒋皓：基于内源性刺激响应的分离式微针用于重塑病理微环境抑制肥厚性瘢痕

2024-03-11

引言增生性瘢痕（HS）HS）会显著影响患者的外观并导致组织功能障碍。5-氟尿嘧啶的生物利用度低，对HS治疗提出了挑战。2024年3月6日，华中科技大学朱锦涛、陶娟及蒋皓共同通讯在Nature Communications发表题为“Endogenous stimuli-responsive separating microneedles to inhibit hypertrophic scar through remodeling the pathological microenvironment”的研究论文，该研究展示了由光交联的GelMA和5-FuA-Pep-MA前体组成的分离微针（MN），以响应高活性氧（ROS）水平和基质金属蛋白酶（MMP）在HS病理微环境中的过表达。雌性小鼠的体内实验表明，MN尖端在组织中的保留提供了缓慢持续的药物释放方式。重要的是，载药性MNs可以通过ROS清除和MMPs消耗来重塑雌性兔耳HS组织的病理微环境。Bulk和单细胞RNA测序分析证实，载药微MNs可通过下调BCL-2相关死亡启动子(BAD)、胰岛素样生长因子1受体(IGF1R)通路逆转皮肤纤维化，同时通过上调TOLL样受体(TOLL)、白细胞介素1受体(IL1R)和角质形成细胞通路调节炎症反应和角质形成细胞分化。并通过蛋白聚糖配体受体2 (HSPG2)-肌营养不良蛋白聚糖1(DAG1)促进成纤维细胞和角质形成细胞之间的相互作用。该研究揭示了载药MNs在HS治疗中的潜在治疗机制，具有广阔的临床应用前景。增生性瘢痕（HS）HS）为凸起、红斑、瘙痒性病变，主要是由于皮肤损伤后成纤维细胞过度增殖和胶原蛋白沉积紊乱所致，严重影响患者的容貌、身心健康。通常，基质金属蛋白酶2（MMP2）和MMP9是重塑细胞外基质（ECM）的必需酶，在HS病理微环境中显著升高。同时，过度的成纤维细胞增殖和部分或完全闭塞的微血管导致 HS 内的缺氧微环境，这在长时间低氧时显著增加活性氧（ROS）水平。因此，响应内源性刺激（MMP2、MMP9 和 ROS）的控释药物递送系统重塑HS治疗的病理环境应该是有希望的。如今，病灶内注射5-氟尿嘧啶（5-Fu）和皮质类固醇是HS治疗中具有不同机制的推荐疗法。尽管皮质类固醇的使用对大多数患者有效，但它也与副作用有关。5-Fu能够抑制细胞增殖、诱导成纤维细胞凋亡和减少胶原蛋白的产生，在临床指南和实践中已单独使用或与皮质类固醇联合使用，以避免皮质类固醇注射的潜在副作用。然而，由于内源性二氢嘧啶脱氢酶的消除，5-Fu的半衰期较短，需要高注射剂量和多次操作。具体而言，大剂量局部给药可能引起严重的副作用，并且侵入性注射伴有剧烈疼痛。与病灶内注射相比，微针（MNs）作为一种有前途的新型透皮给药平台，因其非选择性负载能力、最小侵入性、操作简单和良好的生物相容性而备受关注。重要的是，内源性刺激反应材料可以消耗病理微环境中过表达的介质，从而促进组织重塑。在过去的十年中，RNA测序（RNA-seq）已成为研究发育和确定疾病分子失调的有力工具。目前已发现多种与纤维化发病机制相关的途径。其中，抗细胞凋亡途径和生长因子途径是成纤维细胞的关键途径，是将初始刺激转化为纤维化发展所必需的。BCL-2 相关蛋白是线粒体细胞凋亡的关键调节因子，长期以来一直因其在纤维化中的作用而被鉴定。胰岛素样生长因子（IGF）是胰岛素家族的成员，它作为合成代谢因子促进细胞增殖和迁移。IGF在各种纤维化疾病以及增生性疤痕中高度表达。然而，病理微环境响应生物材料对HS治疗的独特治疗机制在生物材料科学中通常被忽视，这对后续基础研究和临床转化具有重要意义。该研究开发了一种由明胶甲基丙烯酰（GelMA）和5-氟尿嘧啶乙酸（5-FuA）前药组成的分离MN药物递送系统，以响应内源性刺激（MMP2、MMP9和ROS）重塑HS治疗的病理微环境。5-FuA前药被设计为ROS响应性四肽（PPPK），N端有5-FuA，赖氨酸残基上有甲基丙烯酰，在分离MN贴片的尖端与GelMA发生UV交联。同时，MN基层可以很容易地剥离，在HS病灶中留下MN尖端，以便长期持续释放药物。作为病理微环境响应性肽前体药物递送平台的分离MN贴片示意图（Credit: Nature Communications）体内实验和大量RNA-seq分析表明，分离的MN贴片通过下调BCL-2相关死亡启动子（BAD）、胰岛素样生长因子1受体（IGF1R）通路和胶原纤维组织过程，通过上调Toll样受体（TOLL）同时调节炎症反应和介导角质形成细胞分化，可显著减少异常成纤维细胞增殖和胶原纤维沉积，白细胞介素-1 受体（IL1R）和角质形成细胞通路。更重要的是，单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析进一步研究了角质形成细胞通路，并证明成纤维细胞和角质形成细胞之间的相互作用在用载药MN处理HS组织中起着核心作用。载药性MNs可以清除ROS并消耗MMP2和MMP9来重塑HS的病理微环境，这在HS治疗中具有广阔的临床应用前景。原文链接https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s41467-024-46328-2责编|探索君排版|探索君文章来源|“iNature”End往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文Nature | 破除传统：为何我们需要重新思考肿瘤的命名方式热文Nature | 2024年值得关注的七项技术热文Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述