生物启发的自修复水凝胶：快速止血与加速胃溃疡愈合
生物启发的自修复水凝胶：快速止血与加速胃溃疡愈合
胃溃疡是一种常见的消化系统疾病，其并发症如上消化道出血、溃疡穿孔和癌症等严重威胁着患者的生命安全。目前的治疗手段虽然有所改善，但仍存在一定的局限性。近日，一项关于生物启发的自修复水凝胶的研究为胃溃疡的快速止血和伤口愈合提供了新的解决方案。
研究背景
胃溃疡是一种常见的消化系统疾病，伴随有多种致命并发症，如上消化道出血、溃疡穿孔和癌症，其发病率和死亡率在过去十年内显著上升。尽管目前的治疗手段（如质子泵抑制剂和止血剂）有所改善，但仍有约20%的病例出现延迟性出血，且现有药物的止血效果受到限制。
有效修复胃溃疡的首要步骤是止血。理想的止血材料应具备高效性、促进愈合、安全性等特点。基于肽的生物材料显示出优于传统止血剂的潜力，特别是自组装的短肽生物材料，如RADA16和TDM-621。然而，这些材料在一些情况下的有效性受到形状和外部力量的限制。
凝血级联反应在止血中起着关键作用，其中TCP-25肽作为一种已知的内源性凝血酶肽，具有抗炎和抗菌特性，能够加速伤口愈合。但是，TCP-25在血浆中的半衰期较短，需通过与生物相容性好的被动止血剂结合，以延长其止血效果。
水凝胶作为新一代生物医学材料，在胃溃疡的治疗中展现出良好前景。它们的多孔结构有助于固定TCP-25肽，同时可以快速吸收液体、促进止血和愈合。尽管一些可注射水凝胶已显示出潜力，但仍需解决其对原生组织可能产生的不良影响及细胞毒性问题，以确保临床应用的安全性和有效性。
研究思路
研究团队从人体自然肽防御机制中汲取灵感，开发了两种可注射的生物相容性水凝胶，这些水凝胶将TCP-25肽作为靶向剂。这些水凝胶通过在约8.0秒内结合不同的凝胶因子，实现了快速的胃溃疡止血和创伤愈合。这些水凝胶由动态交联网络组成，该网络是通过CMC（已获得美国食品和药物管理局批准）与醛基黄原胶（XG-CHO）或氧化魔芋葡甘露聚糖（OKGM）之间的席夫碱反应形成的，同时还包含TCP-25肽。
本研究中制备的水凝胶表现出快速的凝胶化、自愈合特性、高膨胀能力和优良的生物相容性，使其在临床注射过程中适合原位凝胶化。进行的体外和体内抗菌实验确认了TCP-25肽水凝胶对标准菌株以及临床分离的多药耐药菌株的强大抗菌效果。此外，它们有效地将总出血量从1961 ± 5 μL（未处理）降至145 ± 5 μL，在体内大鼠肝脏创伤模型中止血开始后的9秒内，实现了这一效果。此外，在大鼠胃溃疡模型中，它们在24小时内实现了92%的胃溃疡出血抑制率，优于临床常用药物奥美拉唑的疗效。
这种增强的性能可归因于CMC水凝胶与TCP-25肽的协同效应。水凝胶独特的多孔结构通过静电吸引作用作为物理屏障，固定并持续释放TCP-25凝血酶肽。TCP-25肽直接激活血小板，启动凝血级联反应，加速伤口周围的纤维蛋白凝固，从而停止血流。随后，它们调节伤口表面的出血，抑制细菌生长，同时促进胃部创伤愈合。
研究结果
图1. 不同CMCs-TCP浓度下TCP-25水凝胶的凝胶时间（a、b）；不同XG-CHO或OKGM含量（b）下的9 wt.% CMC-TCP。c、d）TCP-CX（c）和TCP-CO（d）肽水凝胶的FTIR光谱。e、f）TCP-CX（e）和TCP-CO（f）肽水凝胶的SEM图像。g、h）TCP-CX（g）和TCP-CO（h）肽水凝胶的流变性质。i）自我修复和j）TCP-25肽水凝胶的数字图像。k）TCP-CX肽水凝胶的注射性能表示为“F”形状，TCP-CO肽水凝胶表示为“ZU”形状。l、m）在体外（PBS pH 7.4）中TCP-CX（l）和TCP-CO（m）肽水凝胶的释放药动学（n=3）。
图2. a,b) 在模拟胃液（pH 2）和PBS（pH 7.4）中，TCP-CO水凝胶(a)和TCP-CX水凝胶(b)在7天内的降解行为。c) 通过猪皮拉剪测量，TCP-25肽水凝胶的粘附力和粘附强度。d) 水凝胶承载弯曲和扭转的生物粘附性和柔性的照片。e) 粘附到水凝胶和组织的力-位移曲线（尺度条：1 cm）。f) 在模拟胃环境中（pH 2），使用TCP-CO水凝胶评估长期粘附特性。（n=3）。
图3.a、b)实验组、生理盐水、PBS的(a)红细胞（红细胞）和(b)溶血率（%）照片。c)大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）和临床耐药菌产气荚膜梭菌等菌落琼脂平板照片，d)菌落对应统计数据。e)NIH-3T3在不同水凝胶上培养72 h后的活/死荧光图像。f)NIH-3T3细胞在不同水凝胶上处理48 h后的相对活性
图4.TCP-25肽水凝胶的体内伤口愈合性能。a)从第0天到第4天，覆盖未经治疗的TCP-25肽水凝胶和手术缝合伤口治疗的伤口照片。比例尺：2厘米。b)从金黄色葡萄球菌感染的第0天到第6天，被TCP-25肽水凝胶覆盖的大鼠伤口的照片。比例尺：2厘米。c)热图显示了TCP-25肽水凝胶(c)在大鼠部分厚度创面模型中的创面愈合率（%），以及d)金黄色葡萄球菌感染创面模型。每个方框中的颜色和值代表平均值。(n = 3).
图5.TCP-25肽水凝胶在体内外的凝血能力。a)TCP-25肽水凝胶中存在时间依赖性的凝块形成。b)采用反演法评价凝血时间试验。c，d)大鼠肝创伤模型(c)的水凝胶体内止血性能示意图，以及大鼠(d).的损伤、水凝胶注射和治疗方案计划e)TCP-25肽水凝胶处理后的处理区域的照片。f、g）止血出血面积(f)和达到止血的时间(g)。h)本研究水凝胶止血时间与既往文献1[46]；2[47]；3[48]；4[49]；5[20]；6[50]；7[51]；8[52]；9[53]；10[54]；11： TCP-CX肽水凝胶；12： TCP-CO肽水凝胶。(n = 3).
图6. a)大鼠胃溃疡模型的示意图。b)对照组、奥美拉唑、TCP-25肽水凝胶分别在处理后9h和24 h的大鼠胃的代表性图像。c，d)给药后9h(c)和(d) 24 h大鼠胃溃疡创面愈合的临床评分。e)分别用空白、奥美拉唑、TCP-25肽水凝胶处理后9h和24 h处理的大鼠胃溃疡的H&E染色图像。对照图像为正常组织图像（比例尺： 100 μm）。(n = 3).
研究结论
研究团队开发了两种新型可注射自修复TCP-25多肽水凝胶，它们基于人体内源性肽防御系统，具有快速凝胶化速率。出色的注射能力和快速凝胶化特性使其适用于临床注射过程中的原位凝胶化。此外，良好的自愈合性能和高吸水能力赋予其在独特的胃肠道微环境中的适应性。
TCP-25多肽水凝胶在体外和体内实验中均证明了其有效性，对标准菌株和临床分离的多重耐药菌株显示出高疗效。TCP-25多肽水凝胶显示了在简单输送至胃部后对胃溃疡出血的止血和黏膜愈合能力。体内止血研究表明，TCP-25多肽水凝胶实现了快速止血（≈9秒）、优于奥美拉唑药物的胃溃疡止血效果和伤口愈合。
这些有前景的特性表明，可注射、自修复的TCP-25多肽水凝胶有可能在治疗急性或慢性出血以及胃溃疡伤口愈合方面应用于临床。它们也可能被用于伤口敷料和其他伤口急性或慢性止血的应用。