研究背景
手術(shù)部位感染是手術(shù)患者預(yù)后不良的最常見原因，占手術(shù)并發(fā)癥的 38%。目前常用的藥物洗脫方法會(huì)導(dǎo)致材料附著性的損失或不適用于皮膚消毒?，F(xiàn)有的組織粘合劑不關(guān)注預(yù)防手術(shù)部位感染。延世大學(xué)Jinkee Hong團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種易于處理、可大尺寸、可卷曲、可定制和可塑的I型絲素蛋白網(wǎng)（t1SG）。干燥的t1SG幾乎沒有附著性，但在浸入藥物溶液后表現(xiàn)出一定的粘附力，甚至t1SG超過商業(yè)產(chǎn)品的粘附性能。t1SG可以通過物理保護(hù)病變區(qū)域免受病原體滲透，并通過洗脫的消毒劑對(duì)其進(jìn)行生化消毒，這種雙重功能被認(rèn)為是雙效消毒。
研究內(nèi)容
I型絲素蛋白由許多游離鏈組成，這些游離鏈與周圍環(huán)境充分結(jié)合（圖1）。此外，當(dāng)t1SG水合時(shí)，游離鏈變得可移動(dòng)且更具交互性。因此，水合t1SG通過非共價(jià)鍵對(duì)生物粘附物具有強(qiáng)大的粘附力。
圖1 t1SG和雙效消毒的概念化
適用含 6.0wt%CaCl2的甲酸溶解蠶繭，將溶解的絲素蛋白澆鑄并干燥過夜，在60℃熱處理2h 后，獲得t1SG，厚度固定為400μm。將 t1SG 暴露于無水乙醇培養(yǎng)基中過夜以產(chǎn)生t2SG。廣角X射線散射（WAXS）的2D環(huán)圖分別確認(rèn)了t1SG和t2SG內(nèi)的I型和II型構(gòu)象（圖2）。拉曼散射分析結(jié)果驗(yàn)證了t1-和t2SG的內(nèi)在絲素蛋白類型。從1400-1500cm-1內(nèi)的拉曼光譜中評(píng)估了I型與II型構(gòu)象（即Silk I/Silk II）的比率：～75%的t1SG呈現(xiàn)I型構(gòu)象，而～70%的t2SG 表現(xiàn)出II型構(gòu)象。
圖2 絲素蛋白的類型和相應(yīng)的粘附力
對(duì) t1SG和t2SG進(jìn)行了搭接剪切和180°剝離測試，證明了I型構(gòu)象在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的粘附力方面的重要性。濕t1SG強(qiáng)烈粘附在醫(yī)用級(jí)塑料上，剪切強(qiáng)度 （～51.8 kPa）和界面韌性（～359 J m–2）的t1SG高于由白蛋白、氰基丙烯酸酯、纖維蛋白或聚乙二醇組成的商業(yè)組織粘合劑。
圖3 粘附強(qiáng)力
為了證明t1SG在生物-生物界面中的潛力，使用提取的牛心包和豬皮膚組織作為離體組織粘附物來估計(jì)剪切應(yīng)力、粘附能密度和界面韌性（圖4）。t1SG的游離鏈由許多肽鍵組成。肽鍵同時(shí)充當(dāng)氫鍵受體和供體。因此，t1SG的游離鏈與羰基化合物和哺乳動(dòng)物組織的胺基非共價(jià)相互作用。盡管t1SG在豬皮膚上的界面韌性下降了～12%，但仍比現(xiàn)成的組織膠粘劑高出～7.3倍。豬皮中的高脂質(zhì)含量會(huì)導(dǎo)致皮膚表面變得光滑，界面韌性略有損失。一旦粘附在曲線人體皮膚上，t1SG就可以承受圖4c所示的所有過程中的累積應(yīng)力。粘附在食指上的t1SG在環(huán)境和水下條件下承受了重復(fù)的180°彎曲。t1SG在例如洗手等日常生活中也保持粘附。
圖4 t1SG 在不同生物條件下的粘附性能
通過使用絲素蛋白特異性小分子硫黃素T（ThT）監(jiān)測t1SG的洗脫動(dòng)力學(xué)。t1SG 的洗脫曲線與現(xiàn)有藥物洗脫支架的洗脫曲線相當(dāng)。洗脫速率常數(shù)（KH）為3.46 mg cm-3min-1/2，滿足所需的雙效消毒的剩余要求。t1SG 對(duì)生物降解是穩(wěn)定的，這意味著雙效消毒對(duì)各種器官的廣泛體內(nèi)應(yīng)用前景。
圖5 t1SG 的洗脫動(dòng)力學(xué)和酶穩(wěn)定性
采用了腹膜炎SKH1小鼠模型驗(yàn)證所提出的治療方法（即雙效消毒）在預(yù)防手術(shù)部位感染和確保體內(nèi)良好預(yù)后方面的有效性。t1SG或手術(shù)膠帶（ST）連接到剖腹探查部位以覆蓋導(dǎo)管結(jié)合孔。當(dāng)t1SG引入時(shí)，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)附著部位的一致和毫克級(jí)雙作用消毒12h，而不會(huì)限制小鼠移動(dòng)。因此，通過雙效消毒，P6 的存活率提高了1.75倍（圖6）。ST 治療組在P8附近呈零生存率，表明嚴(yán)重腹膜炎的死亡率極高。此外，與未消毒的組相比，雙效消毒將腹膜內(nèi)損傷程度大約減少了一半。
圖6 與雙效消毒相關(guān)的預(yù)后調(diào)查
監(jiān)測了對(duì)相關(guān)器官（例如肝、腎、肺和脾臟）的繼發(fā)損傷程度，以評(píng)估 t1SG雙效消毒的治療意義。來自提取器官的熒光信號(hào)（圖7b）和組織學(xué)檢查結(jié)果證實(shí)，雙效消毒減輕了連續(xù)內(nèi)部損傷的擴(kuò)散。
圖7 繼發(fā)性炎癥器官損傷的進(jìn)展
根據(jù)器官損傷生物標(biāo)志物的血漿濃度討論相關(guān)器官的狀態(tài)（圖8）。由于雙效消毒，肝損傷標(biāo)志物比ST組低～35%；中性粒細(xì)胞遷移（35-45%）在P4和P7急劇減少，表明腹膜干凈，沒有感染并發(fā)癥。炎性細(xì)胞因子（IL-1β、IL-4、IL-6和IFN-γ）水平降低40%表明t1SG組的整體狀態(tài)優(yōu)于ST組。這些全面的生物學(xué)研究表明，雙效消毒組比ST組預(yù)后更有希望。
圖8 監(jiān)測改善的生物標(biāo)志物分布
通過將治療效率與最容易獲得和最理想的腹膜炎治療方法——腹膜透析（PD）的治療效果進(jìn)行比較，評(píng)估t1SG雙效消毒的臨床潛力。接受透析、雙效消毒和抗生素治療組（n=5）命名為t1SG+AB。在P7觀察到PD組的100%死亡率（圖9）。相比之下，t1SG+AB組在P12處死前的最后48h表現(xiàn)出60%的恒定存活率。t1SG+AB組腹膜內(nèi)損傷減輕和皮膚清潔狀態(tài)表明，雙效消毒和抗生素之間的協(xié)同作用可以確保嚴(yán)重腹膜炎的有希望的預(yù)后。PD、雙效消毒和抗生素給藥后器官損傷的生物標(biāo)志物下降到假手術(shù)組的水平。表明可以通過雙效消毒和抗生素給藥的協(xié)同作用來預(yù)防繼發(fā)性炎癥器官損傷。
圖9 基于 t1SG 雙效消毒的臨床有效方法的開
結(jié)論
t1SG 滿足了雙效消毒的兩個(gè)要求：穩(wěn)定的封閉屏障和基于mg 級(jí)洗脫的生化活性。即使基材是醫(yī)用級(jí)非生物塑料或哺乳動(dòng)物提取的生物組織，卓越的膠粘劑性能也不會(huì)惡化。此外，t1SG-生物界面上的穩(wěn)定粘附承受了人工和日常運(yùn)動(dòng)的變形應(yīng)力?；陔p效消毒與抗生素給藥的協(xié)同效應(yīng)，它在臨床領(lǐng)域顯示出令人印象深刻的潛力。體內(nèi)嚴(yán)重炎癥性疾病的顯著改善使 t1SG 作為下一代有效的生成治療策略。
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.2c00598
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