杜克大學的研究人員幫助開發改善皮膚癒合的生物材料

達勒姆 – 杜克大學和加州大學洛杉磯分校的研究人員開發了一種生物材料，可以顯著減少受傷後疤痕的形成，從而更有效地促進皮膚癒合。這種新材料一旦傷口閉合就會迅速降解，顯示激活適應性免疫反應可以觸發傷口再生癒合，留下更堅固、更健康的癒合皮膚。

這項工作建立在團隊先前對水凝膠支架的研究基礎上，水凝膠支架創建了一種支持組織生長的結構，加速傷口癒合。在他們的新研究中，研究小組表明，這種水凝膠的改良版可以激活再生免疫反應，這可能有助於治癒皮膚損傷，如燒傷、割傷、糖尿病潰瘍和其他通常癒合後會留下明顯疤痕的傷口，這些疤痕更容易再次受傷。

這項研究於 2020 年 11 月 9 日在線發表在《自然材料》雜誌上。

論文的第一作者、醫學博士/博士 Maani Archang 表示：「身體會盡快形成疤痕組織，以減少感染的機會，減輕疼痛，並且在較大的傷口中，可以避免水分蒸發流失。」加州大學洛杉磯分校Scumpia 和Di Carlo 實驗室的學生。 “這是傷口癒合的自然過程。”

目前可用於臨床的傷口癒合水凝膠位於傷口表面，可作為敷料並有助於防止傷口乾燥。這反過來又有助於傷口更快癒合，通常是透過疤痕形成。

在2015 年《自然材料》論文中，由杜克大學的Tatiana Segura 和加州大學洛杉磯分校的Dino Di Carlo 領導的研究小組開發了微孔退火顆粒(MAP) 水凝膠，這是一種基於微粒的生物材料，可以融入傷口而不是停留在皮膚上表面。 MAP 凝膠內的珠子連接在一起，但留下開放空間，形成多孔結構，為細胞在傷口部位生長時提供支撐。當傷口閉合時，凝膠會慢慢溶解，留下癒合的皮膚。

儘管 MAP 水凝膠允許細胞快速生長和更快修復，但研究小組注意到，癒合的皮膚具有有限的複雜結構，如毛囊和皮脂腺。研究團隊很好奇他們是否可以改變生物材料來提高癒合皮膚的品質。

「之前我們發現，隨著傷口開始癒合，MAP 凝膠開始失去孔隙率，這限制了組織在結構中生長的方式，」弗吉尼亞大學助理教授唐·格里芬 (Don Griffin) 說道。該論文的作者，也是Segura 實驗室的前博士後研究員。 “我們假設減慢 MAP 支架的降解速度可以防止毛孔閉合，並在組織生長時為組織提供額外的支撐，從而提高組織的品質。”

團隊並沒有用新材料創造全新的凝膠，而是專注於允許支架被人體自然分解的化學連接體。在他們最初的 MAP 凝膠中，這種化學接頭由取自人體自身結構蛋白的胺基酸序列組成，並以稱為 L 手性的化學方向排列。由於這種勝肽序列和方向在全身都很常見，這有助於凝膠避免觸發強烈的免疫反應，但它也可以透過天然存在的酵素輕鬆降解。

「我們的身體已經進化到能夠識別和降解這種氨基酸結構，因此我們推測，如果我們將結構翻轉為其鏡像，即 D 手性，身體將更難降解支架，」Segura 教授說杜克大學生物醫學工程專業。 “但是當我們將水凝膠放入小鼠傷口時，更新後的凝膠最終起到了完全相反的作用。”

更新後的材料融入傷口並在傷口閉合時支撐組織。但研究團隊發現，新凝膠並沒有持續更長時間，而是幾乎完全從傷口部位消失，只留下一些顆粒。

然而，癒合後的皮膚變得更堅固，並且包括疤痕中通常不存在的複雜皮膚結構。經過進一步調查，研究人員發現，儘管壽命較短，但癒合效果更強的原因是對凝膠的不同免疫反應。

皮膚受傷後，人體的先天免疫反應立即被激活，以確保任何進入體內的異物被迅速消滅。如果物質能夠逃脫第一次免疫反應，身體的適應性免疫反應就會啟動，從而更特異性地識別和瞄準入侵物質。

由於最初的 MAP 凝膠是用常見的 L 肽結構製成的，因此它產生了溫和的先天免疫反應。但當研究小組將重新配製的凝膠放入傷口時，外源D 手性激活了適應性免疫系統，該系統產生了抗體並激活了包括巨噬細胞在內的細胞，在傷口閉合後更快地靶向並清除了凝膠。

「受傷後可能會發生兩種類型的免疫反應——破壞性反應和更溫和的再生反應，」加州大學洛杉磯分校健康中心和西洛杉磯退伍軍人醫療中心皮膚科助理教授斯坎皮亞說。 「當大多數生物材料被放入體內時，它們會被免疫系統隔離，最終被降解或破壞。但在這項研究中，對凝膠的免疫反應誘導了癒合組織的再生反應。”

「這項研究向我們表明，活化免疫系統可以用來改變傷口癒合的平衡，從組織破壞和疤痕形成轉向組織修復和皮膚再生，」塞古拉說。

研究小組與加州大學歐文分校的再生組織專家 Maksim Plikus 合作，也證實了毛囊和皮脂腺等關鍵結構在支架上正確形成。當研究小組深入研究這個機制時，他們發現適應性免疫系統的細胞是這種再生反應所必需的。

隨著團隊繼續研究凝膠的再生免疫反應，他們也在探索使用新型 MAP 水凝膠作為免疫調節平台的可能性。 「該團隊目前正在探索從凝膠中釋放免疫訊號的最佳方法，以誘導皮膚再生或將水凝膠開發為疫苗平台，」Scumpia 說。

「我很高興能夠設計出能夠直接與免疫系統相互作用以支持組織再生的材料，」Segura 說。 “這對我們來說是一種新方法。”

這項工作得到了美國國立衛生研究院(F32EB018713-01A1、T32-GM008042、U01AR073159)、國家科學基金會(DMS1763272)、西蒙斯基金會贈款(594598、QN、R01NS094599、R01HL110592、R03AR073940、K08AR066) 的支持第545章），皮尤慈善機構信託和 LEO 基金會。

Donald Griffin、Westbrook Weaver、Dino Di Carlo、Tatiana Segura 和 Philip Scumpia 在 Tempo Therapeutics 擁有經濟利益，該公司旨在將 MAP 技術商業化。

引用：“透過水凝膠支架激活適應性免疫反應，促進傷口再生癒合”，Donald Griffin、Maani Archang、Chen Kuan、Westbrook Weaver、Jason Weinstein、An Chieh Feng、Amber Ruccia、Elias Sideris、Vasileios Ragkousis、Jaekyung Koh 、Maksim普利庫斯、迪諾·迪卡洛、塔蒂亞娜·塞古拉、菲利普·斯坎皮亞。自然材料，2020。10.1038/s41563-020-00844-w

(C) 杜克大學

原文來源： WRAL 技術線