前言
细菌性
近期，华中科技大学同济医学院附属协和医院
本研究实现了从传统单一抗菌治疗转向“抗菌+组织再生”治疗的范式转变，为感染性角膜疾病的临床诊疗提供了全新的理论基础与技术路径。
图1 SDF-1/QUDCS/OD水凝胶体系及其治疗铜绿假单胞菌角膜炎的机制示意图
研究内容
1. 水凝胶的合成与表征
研究团队基于动态席夫碱（Schiff base）共价交联反应，将高阳离子电荷密度的季铵化超高脱乙酰度壳聚糖（QUDCS）与氧化葡聚糖（OD）交联，并精准负载趋化因子SDF-1，成功制备出SDF-1/QUDCS/OD水凝胶。
该水凝胶具备优异的临床转化潜质，可在无任何外部刺激的生理条件下，60秒内自发快速原位成胶。其2%浓度配方的储能模量（26.6 kPa）与人体天然角膜前基质（24-39 kPa）高度匹配，能为受损角膜提供充足的力学支撑，有效预防角膜穿孔。同时，动态共价键赋予了水凝胶高达820%的抗应变能力和优异的自愈合性能，可够在数秒内恢复受损网络，有效抵御眨眼等生理性眼球运动造成的结构破坏。在药物递送方面，该水凝胶能够实现SDF-1长达7天的稳定缓释，为在眼表持续建立稳态趋化因子梯度提供了可靠保障；且在溶菌酶作用下可实现 42 天逐步酶降解，避免长期异物反应。
图2 QUDCS/OD水凝胶的合成与表征
(A)QUDCS和OD在D2O中的氢核磁共振谱证实化学修饰成功。(B)QUDCS和OD之间的希夫碱交联形成水凝胶的示意图。(C)不同QUDCS浓度下的时间扫描和(D)频率扫描（0.5-3wt%）。(E)应变振幅扫描。(F)交变应变试验（1%/1200%）(G)自愈能力和可注射性的宏观论证。(H)SDF-1的累积释放曲线。(i)2mg/mL溶菌酶的酶降解动力学。(J)SEM显微图显示多孔结构。
2. 良好的体外抗菌及破除生物膜效果
QUDCS的高阳离子电荷密度可通过静电作用，靶向破坏带有负电荷的细菌磷脂双分子层，导致细菌细胞膜皱缩、胞内容物泄漏，最终裂解死亡。体外实验证实，该水凝胶具有强效广谱的抗菌活性，2%浓度的水凝胶在6-8小时内对
针对临床上极具挑战的“生物膜耐药性”，传统一线药物妥布霉素仅能将成熟生物膜内细菌存活率降至26%，而SDF-1/QUDCS/OD 水凝胶能够利用其高正电荷穿透生物膜基质，瓦解其三维结构，生物膜清除率高达94%，显著降低生物膜的生物量及胞外多糖、蛋白含量，呈现出传统抗生素无法比拟的抗生物膜优势。
图3 QUDCS/OD水凝胶的体外抗菌和抗生物膜效果
(A)不同浓度QUDCS/OD对金黄色葡萄球菌、MRSA、铜绿假单胞菌和大肠杆菌处理8小时后的细菌菌落。(B)菌落形成单位（CFU）定量测定细菌活力。(C)时间杀伤动力学。(D)细菌形态变化的SEM显微照片。(E)对铜绿假单胞菌的生物膜形成抑制和(F)成熟生物膜根除效果。(G)扫描电镜和共聚焦激光扫描显微镜图像显示生物膜结构和活力（活/死染色：绿色=活细胞，红色=死细胞）。定量分析(H)生物膜生物量、(I)生物膜蛋白含量、(J)多糖含量。
3. SDF-1/QUDCS/OD水凝胶治疗铜绿假单胞菌角膜炎的活体疗效
在小鼠铜绿假单胞菌角膜炎模型中，SDF-1/QUDCS/OD水凝胶展现出与临床一线抗生素妥布霉素相当的强效杀菌能力，可使细菌负荷降低超过2个数量级。更重要的是，相较于单纯抗菌治疗，负载SDF-1的水凝胶还展现出显著的组织保护效应。
该水凝胶大幅加速了角膜上皮屏障的修复与闭合，中位愈合时间由对照组的7天显著缩短至4天。免疫荧光分析显示，水凝胶治疗组几乎检测不到肌成纤维细胞标志物α-SMA的表达，有效阻断了炎症向纤维化发展的级联反应。组织病理学结果进一步显示，治疗后的角膜恢复致密、规则的平行胶原纤维排列，维持了角膜的光学透明度，成功避免了永久性瘢痕形成。
图4 SDF-1/QUDCS/OD水凝胶对铜绿假单胞菌角膜炎小鼠模型的疗效
(A)眼前段照片（上排）和荧光素钠染色。(B)定量临床评分。(C)CFU细菌载量定量。(D)（α-SMA，红色）免疫荧光染色。(E)角膜再上皮化完成时间。(F)第7天的组织病理学分析：H&E染色和Masson染色（（h =出血，f =纤维化，u =溃疡，I =炎性细胞浸润，e =
4. 良好的生物相容性
体外细胞实验证实，不同浓度的水凝胶对人角膜上皮细胞、角膜缘干细胞的存活率均大于90%，且溶血率远低于5%的临床安全阈值，具备优异的的细胞相容性与血液相容性。
在小鼠眼表连续30天用药的耐受性实验中，水凝胶未诱发角膜细胞凋亡、基质损伤以及新生血管生成，且角膜组织中 IL-1β、IL-6、TNF-α 等炎症因子表达维持在健康基础水平。同时，小鼠的心、肝、脾、肺、肾等主要器官结构完整，各项血液学和生化指标均处于正常范围，充分证实了该系统具备极高的眼表局部与全身生物安全性。
图5 SDF-1/QUDCS/OD水凝胶的体内外生物相容性评价
(A)永生化人角膜上皮细胞（iHCECs）和LESCs + LNCs的活/死荧光成像。(B)细胞活力的定量。(C)
5. 揭示SDF-1/CXCR4-Wnt/β-catenin促再生分子机制
该研究通过在体和离体实验，深入阐明了水凝胶驱动角膜早期再生的时空动态及微观分子机制：
时空趋化招募：活体时空分布分析显示，水凝胶长效释放的SDF-1可在眼表建立稳定且持久的趋化梯度，使表达CXCR4受体的内源性干细胞向中央损伤区集聚的时间，较对照组提前约3天，显著加速修复级联反应的启动。
图6 铜绿假单胞菌性角膜炎进展和治疗过程SDF-1/CXCR4轴的时空动态
(A)眼前段照片（上排）和荧光素钠染色。(B)定量临床评分。(C)CFU细菌载量定量。(D)（α-SMA，红色）免疫荧光染色。(E)角膜再上皮化完成时间。(F)第7天的组织病理学分析：H&E染色和Masson染色（（h =出血，f =纤维化，u =溃疡，I =炎性细胞浸润，e =水肿）。(G)小鼠前段光学相干断层扫描（AS-OCT）图像显示了水凝胶（箭头）在角膜表面的覆盖和保留。
通路激活与增殖：体外机制实验进一步证实，被募集的角膜缘上皮干细胞（LESCs）和角膜缘微环境细胞（LNCs），可在SDF-1的刺激下激活经典Wnt/β-catenin信号通路。具体而言，SDF-1可促进GSK3β在Ser9位点的磷酸化并抑制其催化活性，从而使β-catenin免于降解并大量转位入细胞核，最终增强靶向干细胞的定向迁移与增殖再生能力，实现内源性干细胞驱动的高质量组织修复。
图7 SDF-1介导的LESCs和LNCs中Wnt/β-catenin信号的激活
(A)原代小鼠LESCs表达ΔNp63和ABCG2，LNCs表达Vimentin和SOX2的免疫荧光特性。两种细胞类型都表达CXCR4。(B)各处理组transwell图像。(C)迁移细胞数定量。(D)免疫荧光显示向下层迁移的细胞表达ΔNp63、ABCG2（红色）、Vimentin和SOX2。(E)划痕实验。(F)创面愈合率量化。(G)细胞增殖动力学。(H)各处理组72h细胞活力。(I) Western blot分析显示细胞核和细胞质β-catenin分布、p-β-catenin和p-GSK3βser9/总GSK3β表达。(J)不同处理条件下β-catenin（红色）亚细胞定位的免疫荧光成像。
研究结论
本研究成功构建了集强效抗菌与干细胞驱动组织修复于一体的多功能生物材料平台。SDF-1/QUDCS/OD水凝胶凭借快速原位成胶、优异的力学仿生性能、广谱高效的抗生物膜活性，以及对SDF-1/CXCR4-Wnt/β-catenin轴的靶向激活，彻底打破了以往细菌性角膜炎治疗中“仅杀菌、无修复”的临床困境。
该创新性成果不仅为治疗感染性角膜疾病提供了极具前沿性的转化策略，也为其他伴随生物膜感染及难愈合性创面的治疗开辟了新的研究思路与技术方向。
参考文献
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