PI3K-VEGF信号轴重编程内皮尖端细胞命运：一种多功能粘附水凝胶用于增强血管生成及感染伤口愈合

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Reprogramming endothelial tip cell fate via PI3K-VEGF signaling cascade: a multifunctional adhesive hydrogel for enhanced angiogenesis and infected wound healing

　　本研究针对感染性皮肤伤口愈合困难这一临床难题，开发了一种集组织粘附、止血、抗菌和促血管生成功能于一体的复合水凝胶。通过将人脐带间充质干细胞来源的外泌体（Exo）与氧化镁（MgO）纳米颗粒共同负载于多巴胺修饰的海藻酸钠-硫酸软骨素-丝素蛋白基质中，构建了ACS/MgO/Exo水凝胶。该水凝胶不仅通过温和光热治疗（M-PTT）有效清除细菌，还通过激活PI3K-AKT-NF-κB-VEGF信号通路显著促进内皮细胞增殖、迁移和管状结构形成，从而加速感染伤口的闭合与组织再生。该研究为复杂感染伤口的综合治疗提供了创新性解决方案。

　　

在全球范围内，感染性皮肤伤口是医疗系统面临的重大挑战之一，每年影响数百万患者，并造成巨大的经济负担。传统伤口敷料和全身性抗生素存在明显局限性：在潮湿环境中缺乏组织粘附力、抗生素耐药性日益严重、无法主动促进组织再生，导致愈合效果不佳。理想的新型伤口敷料需要同时具备快速止血、强效抗菌、促进血管生成和组织修复等多重功能，而现有材料难以满足这些复杂需求。在这一背景下，上海交通大学医学院附属第九人民医院的研究团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》期刊上发表了一项创新性研究，开发了一种多功能复合水凝胶，为感染性伤口治疗提供了全新策略。

研究团队运用了多项关键技术方法：通过EDC/NHS化学偶联合成多巴胺修饰的海藻酸钠（AD）；采用差速超速离心法从人脐带间充质干细胞（hUMSCs）中分离外泌体；通过酶促交联（HRP/H₂O₂）构建水凝胶三维网络；利用纳米粒子跟踪分析（NTA）表征外泌体释放动力学；采用转录组测序（RNA-Seq）分析内皮细胞基因表达谱；通过尾静脉截断和肝脏出血模型评估体内止血性能；建立小鼠感染全层皮肤缺损模型验证伤口愈合效果。

制备与表征ACS/MgO/Exo水凝胶

研究成功构建了由多巴胺修饰海藻酸钠（AD）、硫酸软骨素（CS）和丝素蛋白（SF）组成的复合水凝胶，并掺入MgO纳米颗粒和外泌体（Exo）。该水凝胶表现出快速凝胶特性（165±15秒）、显著剪切稀化行为（挤出力7.39 N）和自愈合能力。扫描电镜显示MgO的加入显著提高了孔隙率，傅里叶变换红外光谱证实了各组分的成功整合。元素映射证实Mg元素均匀分布，离子释放实验显示Mg²⁺和外泌体均呈现先突释后缓释的模式。

水凝胶的物理性质

该水凝胶在pH 6.5-8.5范围内呈现降解速率差异，在酸性环境下降解最快，21天内完全降解。粘附性能测试表明，其粘附强度显著高于商业纤维蛋白胶，且在90%湿度环境下仍保持稳定。循环粘附测试证实水凝胶在五次重复使用后仍维持超过10 kPa的粘附力，对多种生物组织（心、肝、脾、肺、肾）均表现出良好粘附性。

体外生物相容性

CCK-8和活死染色结果显示，ACS/MgO/Exo水凝胶显著促进L929成纤维细胞和脂肪源性干细胞（ADSCs）的增殖。溶血率低于5%，表明优良血液相容性。细胞骨架染色显示，含MgO和Exo的水凝胶组细胞铺展面积显著增加，表明材料表面利于细胞粘附。

止血能力

体外凝血实验显示，ACS/MgO/Exo水凝胶将凝血时间缩短至200秒，较对照组减少66.7%。尾静脉出血模型中，该水凝胶组止血时间和失血量均显著低于其他组。肝脏出血模型进一步验证其卓越止血性能，表明其适用于多种出血场景。

体外光热抗菌活性

在近红外（NIR）激光照射下（2.0 W/cm2），水凝胶温度在5分钟内升至49°C。五次循环加热后光热性能稳定。抗菌实验表明，单独使用水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率达80%，结合NIR照射后杀菌率超过90%，显示光热疗法（PTT）与Mg²⁺的协同抗菌效应。

体外血管生成促进作用

Transwell、划痕和成管实验均证实ACS/MgO/Exo水凝胶显著增强人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的迁移和血管形成能力。基因表达分析显示，该水凝胶上调尖端细胞标志物CD34、DLL4和KDR的表达。转录组测序发现差异基因主要富集于PI3K-AKT和NF-κB通路。Western blot验证水凝胶通过PI3K-AKT-NF-κB-VEGF信号轴促进血管生成。

体内感染伤口愈合评价

小鼠感染全层皮肤缺损模型显示，ACS/MgO/Exo+NIR组在第7天伤口闭合率达95.3%，显著优于其他组。组织学分析表明，该组胶原沉积更丰富（约80%），血管标记物CD31和α-SMA表达更高，炎症因子IL-6和TNF-α表达降低。体内生物安全性评估证实水凝胶无全身毒性。

该研究通过构建多功能ACS/MgO/Exo水凝胶，成功实现了感染伤口的综合治疗。其创新性在于将材料工程与生物学机制深度融合：水凝胶的物理特性（粘附、降解）与生物学功能（抗菌、促血管生成）协同作用；分子机制上，首次阐明该水凝胶通过PI3K-AKT-NF-κB-VEGF信号轴重编程内皮尖端细胞命运，为血管化组织工程提供了新靶点。这种"一材多用"的策略突破了传统伤口敷料的局限，为临床转化提供了有力支持。未来研究可进一步优化外泌体负载效率，探索其在其他缺血性疾病中的应用潜力。