基于β-片层纤维化肽驱动的超分子水凝胶用于增强糖尿病伤口愈合

学术背景

糖尿病伤口愈合是一个全球性的健康问题，糖尿病患者由于高血糖导致的微血管病变和免疫功能障碍，伤口愈合过程往往受到严重阻碍。传统的治疗方法，如使用胶原蛋白或生长因子，虽然在一定程度上有效，但由于蛋白质在外部环境中的不稳定性和快速降解，治疗效果有限。因此，开发一种能够稳定递送蛋白质并促进伤口愈合的新型材料成为了研究的重点。

超分子水凝胶因其非共价结合的特性，能够在保持蛋白质生物活性的同时增强其稳定性，成为糖尿病伤口修复的理想平台。本研究通过将β-片层纤维化肽（Q11）与β-尾融合的重组蛋白组装，开发了一种新型的蛋白质-肽超分子水凝胶，旨在通过增强蛋白质的稳定性和生物活性，促进糖尿病伤口的愈合。

论文来源

本论文由来自内蒙古大学生命科学学院的Zhao Guo、Xing Liu等作者共同完成，通讯作者为Xinyu Li。论文于2024年12月9日发表在ACS Biomaterials Science & Engineering期刊上，题为《Assembly of Recombinant Proteins into β‑Sheet Fibrillating Peptide-Driven Supramolecular Hydrogels for Enhanced Diabetic Wound Healing》。

研究流程与结果

1. Q11肽与荧光蛋白的组装及稳定性研究

研究首先设计了一种能够形成β-片层结构的Q11肽（QQKFKFQFEQQ），并将其与两种β-尾融合的荧光蛋白（GFP和mScarlet）结合，形成β-GFP和β-mScarlet。通过透射电子显微镜（TEM）观察，发现Q11肽与荧光蛋白组装后形成了无序的纤维状结构。荧光显微镜和标准相机图像显示，Q11肽能够驱动β-GFP和β-mScarlet的分级组装，且组装后的水凝胶在不同pH和温度条件下表现出更高的稳定性。

2. 胶原样蛋白与Sonic Hedgehog融合蛋白的构建及水凝胶制备

基于Q11肽的组装特性，研究团队进一步设计了一种胶原样蛋白（CLP）与Sonic Hedgehog（SHH）融合的重组蛋白（CLP-SHH）。通过硫黄素T（ThT）染色评估组装效率，发现随着CLP序列长度的增加，组装效率显著提高。最终选择了CLP3-SHH（C3SH）与Q11肽组装，形成了Q11C3SH超分子水凝胶。该水凝胶表现出优异的可注射性，适合伤口修复应用。

3. 水凝胶的细胞相容性与生物活性评估

研究团队使用NIH-3T3成纤维细胞和HaCaT角质形成细胞评估了Q11C3SH水凝胶的细胞相容性。结果表明，1%、3%和5%浓度的Q11、C3SH和Q11C3SH水凝胶均显著提高了细胞活力，且5% Q11C3SH水凝胶对两种细胞的活力提升最为显著。细胞迁移实验显示，5% C3SH和Q11C3SH水凝胶显著促进了细胞迁移，这归因于SHH蛋白在细胞分化和增殖中的重要作用。

4. 糖尿病小鼠模型中的伤口愈合实验

研究团队通过链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病小鼠模型评估了Q11C3SH水凝胶的伤口愈合效果。结果显示，与对照组相比，Q11C3SH水凝胶显著加速了糖尿病小鼠的伤口愈合过程。组织学分析表明，Q11C3SH水凝胶处理后的伤口表现出更厚的表皮层和更多的胶原沉积，表明其促进了组织重塑和再生。

5. 水凝胶对炎症反应的调节

通过免疫荧光和Western blot分析，研究团队发现Q11C3SH水凝胶显著上调了与伤口愈合相关的关键蛋白（如COL-1α、CK-14和α-SMA）的表达，同时降低了炎症因子IL-6和TNF-α的水平。这表明Q11C3SH水凝胶不仅促进了组织再生，还通过减轻炎症反应为伤口愈合创造了更有利的环境。

结论与意义

本研究成功开发了一种基于Q11肽驱动的超分子水凝胶，通过将胶原样蛋白与Sonic Hedgehog融合蛋白组装，显著提高了蛋白质的稳定性和生物活性。该水凝胶在糖尿病小鼠模型中表现出优异的伤口愈合效果，不仅加速了伤口闭合，还促进了表皮再生和胶原沉积。此外，水凝胶通过调节炎症反应，进一步改善了糖尿病伤口的愈合环境。

研究亮点

1. 创新性组装策略：Q11肽驱动的非共价组装策略使得蛋白质能够在保持其天然折叠和生物活性的同时，实现精确的比例控制。
2. 多功能水凝胶：Q11C3SH水凝胶不仅具有优异的可注射性和稳定性，还能通过调节炎症反应和促进细胞迁移，显著加速糖尿病伤口的愈合。
3. 潜在临床应用：该水凝胶为糖尿病伤口管理提供了一种简单、经济且有效的治疗策略，具有广泛的临床应用前景。

其他有价值的信息

研究团队还探讨了Q11肽在免疫调节方面的潜力，发现其能够通过减少炎症标志物（如IL-6和pNF-κB）的表达，发挥抗炎作用。这为Q11肽在炎症性肠病等其他疾病治疗中的应用提供了新的思路。

本研究不仅为糖尿病伤口修复提供了一种新型的超分子水凝胶材料，还为蛋白质递送系统的开发提供了新的思路和方法。