Adv Funct Mater 综述︱温州大学孙达团队评述活藻播种于创面敷料作为糖尿病创面治疗策略的研究进展

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撰文︱马嘉辉

责编︱王思珍，方以一，郭渺

糖尿病慢性创面（DCW）是高糖微环境干预伤口愈合过程后引起的严重并发症，目前DCW的临床疗法仍存在诸多缺陷，包括常规药物疗效不尽人意，高压氧、气态氧无法持续供给，药物作用单一，而基础研究中针对微环境高糖，利用局部施加葡萄糖氧化酶的治疗策略也有稳定性低的限制。这促使研究人员需要找到能够集逆转高糖微环境多项不利因素能力于一身的局部给药策略，以解决DCW的治疗瓶颈。在此，活藻由于其本身固有的独特优势：内含物生物学功能强大、光照下可改善氧合并产生ROS以杀菌、消耗伤口区域葡萄糖、自主趋化穿透血块、高度可编辑性、成本低、良好生物安全性而在糖尿病创面的疗愈中脱颖而出。近十年来，将活藻播种到活性敷料中施加在糖尿病慢性创面以改善高糖诱发的愈合延迟的治疗策略被不断开发出来，已在DCW治疗中显示出十分积极的作用，已形成了基于活藻的“活性”伤口敷料应用的新概念（图1）。

图1 基于活藻的新型创面敷料改善DCW微环境的治疗策略

（图源：Ma J, et al., Advanced Functional Materials. 2023）

近日，温州大学生命科学研究院孙达副研究员团队在Advanced Functional Materials在线发表题为“Recent advances in living algae seeding wound dressing: focusing on diabetic chronic wound healing”的综述论文。本综述系统总结了正常创面愈合的生理进程和糖尿病高血糖微环境导致延迟愈合的诸多因素。而后，详细描述了活藻能够作为改善与高血糖微环境相关的病理条件新策略的独特优势。紧接着详尽综述了将活藻（主要为Euglena gracilis，Spirulina platensis，Synechococcus elongatus PCC7942，Chlamydomonas reinhardtii，Chlorella）播种在创面敷料中应用于DCW治疗的研究进展，并比较了这些活藻之间的异同和特点。最后，对活藻临床转化的挑战和未来改进策略进行了讨论和展望。温州大学生命科学研究院在读研究生马嘉辉，方依梦，以及于海洋为该论文的共同第一作者，重庆大学生物工程学院吴伟副教授，温州医科大学附属第一医院耳鼻咽喉科李贺主任医师，温州大学生命科学研究院孙达副研究员为该论文的共同通讯作者。国科温州研究院的杨秦斯，温州大学生命科学研究院在读研究生马逸蕾、易佳、雷鹏宇以及金立波博士为该文章提供指导和支持。（拓展阅读：孙达课题组往期进展，详见“岚翰生命科学”报道（点击阅读）：Aging Dis︱温州大学孙达团队评述阿尔茨海默病的微生物-肠-脑轴失调:多途径效应和治疗潜力；Int J Biol Macromol 综述︱孙达团队评述细胞膜纳米材料递送系统靶向IBD治疗的研究进展；Microbiol Spectr︱孙达团队利用巴氏杀菌处理后的嗜粘蛋白阿克曼氏菌改善糖尿病合并阿尔茨海默症；Mater Today Bio 综述丨孙达团队评述大肠杆菌Nissle 1917作为一种可定制的药物递送系统用于疾病诊疗研究进展）

一、糖尿病创面微环境

 糖尿病是一种受遗传、环境和各种其他因素影响的复杂疾病，导致胰岛素分泌和/或胰岛素作用的缺陷，破坏糖、蛋白质和脂肪的正常代谢。长期的高血糖对伤口部位产生持续的有害影响，影响各种愈合过程。它破坏止血平衡，延长炎症期，导致伴随氧化应激的持续炎症。它会损害免疫功能，使伤口更容易受到微生物感染。此外，高血糖会抑制细胞迁移和增殖，导致血管损伤、缺氧、细胞外基质（ECM）异常积聚、上皮再生延迟和疤痕过度形成（图2）。

图2 高糖微环境损害创面愈合正常发展

（图源：Ma J, et al., Advanced Functional Materials. 2023）

二、活藻作为糖尿病创面治疗策略具备的独特优势

 

与其他创面敷料的添加物质相比，活藻的播种在DCW愈合中的应用中具有无可比拟的独特优势（图3）。

1. 丰富的内含物

藻类含有大量的生物活性化合物，如抗氧化剂、氨基酸、多糖、ω-3和ω-6脂肪酸、维生素（如A、B1、B2、B6、B12、C、E、生物素、叶酸、泛酸）、叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素等。

2. 氧、氢和活性氧的产生

可利用光合活性微藻或蓝藻的天然产氧能力来增加氧气水平和平衡较大伤口结构内的氧气梯度。有趣的是，某些微藻，如Chlorella，可以利用太阳能在厌氧条件下产生生物氢，为伤口敷料设计提供了一种独特的方法。此外，ROS的产生已显示出非抗性灭菌的潜力，藻类叶绿素暴露于激光可以与免疫系统协同产生ROS，以对抗细菌产生的生物膜。

3. 持续消耗葡萄糖

藻类由于其快速增殖、强大的代谢活性和特殊的光合作用能力而成为葡萄糖消耗的有前途的工具。由于其有效利用葡萄糖的能力，可以开发新的策略来解决不同环境下与葡萄糖代谢相关的挑战。

4. 趋化性

Spirulina platensis（SP）和C. reinhardtii是具有光合微生物致动器的活体微载体，能够通过磁场或光束实现高推进速度和定向光引导。SP的螺旋形状和软木塞螺旋运动使其成为微游泳者，可以将治疗药物深入伤口。这种可调节的SP运动允许精确导航和靶向药物递送，潜在地提高伤口治疗的有效性。C. reinhardtii直径约10 μm，具有鞭毛，可以在没有外部控制的情况下沿着随机螺旋路径运动，并且可以通过光功率控制，在敷料中使用磁化的莱茵梭菌可以靶向穿透DCWs中的血凝块和生物膜。通过积累铽（Tb3+）或携带磁性聚苯乙烯颗粒，微藻可以利用增强磁场或改变外加磁场的方向在黑暗中导航，使它们能够在不干扰其前进运动的情况下定位感兴趣的特定目标。这种方法在伤口愈合应用中具有精确和有效的治疗递送的潜力。微藻辅助推进与磁场引导的结合为伤口愈合递送策略的发展提供了一条有前途的途径。

5. 高度可编辑性

SP和C. reinhardtii的细胞膜显示出通过连接孔（14-16 nm）吸附和包封带正电的药物分子的能力，从而实现有效的药物装载。这两种微藻都显示出装载小分子和蛋白质的能力，而不会影响它们的光合效率。此外，基于CRISPR的基因组编辑对这些活藻进行基因修饰，可以设计VEGF的分泌，从而将其传递到体内受损的细胞中。

6.成本低、生物安全性良好

包括C. reinhardtii在内的光合藻类已被证明无遗传毒性，在伤口愈合应用中具有生物相容性和生物安全性。C. reinhardtii不会引起显著免疫反应的生物，被美国食品和药物管理局（FDA）认为是“generally considered safe”。

综上所述，光合藻类因其丰富的生物活性物质、产氧特性、消耗葡萄糖改善创面微环境、创面趋化性、高度可编辑性、生物安全性强、成本低、易得等生物学特性，在治疗DCWs方面展现出了其他药物体系无法达到的优异潜力。

图3 基于活藻的新型创面敷料应用于DCW的独特优势

（图源：Ma J, et al., Advanced Functional Materials. 2023）

三、基于活藻的伤口敷料作为治疗DCWs的策略

 

1. Euglena gracilis

Euglena gracilis是一种淡水原生生物，具有源自绿藻的次生叶绿体。作为一种多功能光养生物，其80%以上的干重（w/w）是由大量储备的paramylon多糖组成。由β-1,3-葡聚糖组成的Paramylon多糖不仅足够安全，而且可用于制备生物活性多糖水凝胶，以减轻伤口炎症，通过HIF-1α-VEGF途径促进血管生成，加速DCW愈合。活的Euglena gracilis含有多种活性物质，如抗微生物肽，可促进愈合而不引起炎。

2. Spirulina platensisSP

是一种可以在可控条件下商业化生产的蓝绿藻，它含有丰富的必需氨基酸、矿物质、必需脂肪酸和抗氧化剂，尤其是维生素B12、C-藻蓝蛋白和β-胡萝卜素，能起到抗炎、抗氧化、抗糖尿病等生物活性。最重要的是，它富含叶绿素，在光照下能释放大量氧气，在激光照射下能产生ROS，起到光动力杀菌作用，是一种很有前景的创面敷料植入式生物材料。

3. S. elongatus PCC7942

S. elongatus PCC7942是一种单细胞专性光自养植物，由于其遗传易变性和利用光、二氧化碳和水作为代谢能量的能力，降低了栽培条件和经济成本。

4. C. reinhardtiiC. 

reinhardtii是一种单细胞光养绿藻和模式生物，在光合作用和产氢方面得到了广泛的研究。含有活C. reinhardtii的敷料已被证明可以减少组织缺氧并具有优越的生物安全性，并且基因工程的应用可以使其产生组织所需的其他重组生物活性分子，如生长因子和糖胺聚糖。而且，它的双鞭毛、良好的生物相容性、无需任何有毒燃料的快速移动、寿命长、自身荧光在体内跟踪能力强以及在各种水环境中的通用性，很容易解决伤口中药物无法到达伤口深处的问题。

5. ChlorellaChlorella是小球藻科的单细胞藻类，含有丰富的蛋白质、脂质、核酸、维生素等营养成分，被联合国粮农组织命名为“绿色健康食品”。重要的是，Chlorella是一种兼性好氧生物，可以在厌氧条件下利用太阳能合成生物氢，这可以为未来的战略创新提供参考，通过有序和有规律的交替，结合其产氧能力，改善糖尿病微环境。 Chlorella除了具有光合作用能力外，还具有在伤口部位固化葡萄糖的能力，作为缺血组织的营养物质，并具有抗炎特性。

综上所述，活性光合藻类敷料具有生产氧气或氢气的光合活性、伤口趋化性、基因可编辑性、理想的生物安全性、改善伤口微环境的葡萄糖消耗等生物学特性，因此有望成为DCWs未来的治疗策略，尽管其从实验室到床边的临床转化仍存在挑战，包括长期的生物安全性和从伤口部位完全去除。与此同时，更深层次的治疗机制仍需要进一步探索。到目前为止，只有C. reinhardtii已经应用于临床试验并且被认为是良好的，其他藻类还需要进一步的临床研究，当然，它们已经在基础研究中显示出生物安全性和较长的生存时间。然而，只有Chlorella使用二氧化氯灭活才能真正正确地解决不再需要藻类后如何去除的问题，未来的其他除藻策略可以采用消光、使用转基因藻类菌株或局部应用无毒灭活剂等方法。此外，Euglena gracilis和C. reinhardtii是两种有鞭毛的藻类，它们在穿透血块到达更深的伤口层方面具有独特的优势，尽管Euglena gracilis尚未根据这种倾向开发出伤口敷料。此外，Chlorella和C. reinhardtii除了在光照下产氧外，还可以产生厌氧氢，这可能有助于开发灵活改善DCW微环境的伤口敷料，毕竟氧和氢都有助于DCW愈合。另一方面，生物工程的应用不仅可以提高产量、所含物质的组成（包括胞外囊泡或外泌体）和光合能力，还可以引入伤口愈合所需的生长因子，在这些藻类中有丰富的研究进展。最后，作为一个组合系统，Chlorella和C. reinhardtii可以通过活微生物的巧妙共生或作为药物传递系统的应用，在这两种藻类的领域得到更广泛和深入的发展。相信未来更多基于活藻的新型创面敷料的开发将为DCW护理提供重要。

四、挑战及改善策略

1. 藻类敷料的长期生物安全性是一个值得关注的问题。未来需要长期的监测实验，包括观察藻类的疼痛、肿胀、红斑、周围组织对藻类的接受程度以及患者的认可程度，以提供藻类长期安全性的数据和结论（图4A）。

2. 红光（625 nm）比白光更能诱导微藻的光合活性，但由于局部增温和光毒性等副作用，其临床应用存在问题。同时，光的有限穿透也是一个需要解决的问题，因为它涉及到敷料深层藻类覆盖不足或过度暴露于光下产生过量pO2的毒性。因此，在未来的应用研究中，应进一步优化共培养体系，以避免诸如对哺乳动物细胞的光毒性作用或可能影响微藻的热休克问题，因为微藻的最佳生长温度低于哺乳动物细胞。此外，还可以考虑应用特定波长的光（基于叶绿素S的吸收光谱）或使用耐热藻类菌株。至于如何调节合适的氧张力，为创面的高代谢状态提供支持，未来还需要优化植入物中藻类的数量或对构建物施加的光强进行相应的分配，也可以通过估算周围细胞对氧的代谢消耗来计算给药系统的比例。还可以依靠集成了化学和代谢传感器的新一代照明装置来调节光发射和氧气产生，或者利用柔性透明PDMS膜（允许全光穿透和脚手架）照明罩（图4B）。

3. 背后的深层机制仍有待进一步探索，且无法控制敷料中最佳光合藻类的播种率以及触发其最大生物活性的外部条件将是临床转化的巨大障碍。未来的研究应侧重于开展更多的基础研究和大规模、稳健、前瞻性设计和高质量的多中心临床试验，以阐明多途径治疗的效果，同时有必要开发一种参考藻类及其相应的剂量、培养条件和敷料方案，为制备的材料提供对照参考。还有关于“活材料”的制备的研究。水凝胶包封工程微生物联合体（HeEMC）主要由三部分组成:以工程菌为能源；能分泌CXCL12促进伤口愈合的工程乳酸杆菌；PEGDA/CS水凝胶作为HeEMC的基质（图4C）。

图4 活藻播种的创面敷料促进DCW良好愈合的挑战和相应改进策略（右）

（图源：Ma J, et al., Advanced Functional Materials. 2023）

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202308387

孙达，博士&副研究员&硕导&温州大学生命科学研究院院长助理。担任Advanced Science、Theranostics、Journal of Materials Science & Technology、Journal of Nanobiotechnology、Science of the Total Environment、Frontiers in Bioengineering and Biotechnology、Life Sciences等多个国际期刊审稿专家。先后主持科学研究项目5项，并参与7项科学研究项目，3项平台申请与建设项目。在Advanced Functional Materials、Materials Today Bio、Theranostics、Frontiers in Nutrition、Materials Science & Engineering C、Pharmaceutics、Frontiers in Pharmacology等国内外学术刊物上发表论文70余篇（累计IF＞500），其中第一/通讯作者论文50余篇（累计IF＞400），获授权发明专利12项。

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