近日，一项关于糖尿病组织再生难题的创新性研究在《Advanced Materials》期刊上发表。该研究由来自上海交通大学医学院附属第六人民医院、悟源实验室（嘉兴）和清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室等机构的研究者共同完成。通讯作者包括Jiaxing Wang、Fangzhou Yao、Xin Ma和Xiaochun Peng。研究团队提出并开发了一种名为“死亡模式编辑”的全新治疗策略，旨在通过调控免疫微环境来攻克糖尿病创面及骨缺损难以愈合的临床挑战。
糖尿病作为一种全球性的慢性代谢性疾病，其并发症糖尿病足溃疡（DFUs）是导致患者高致残率和高死亡率的主要原因。传统治疗方法如被动敷料、手术清创和皮肤移植等，往往只能缓解症状，无法从根本上扭转糖尿病微环境中失调的免疫反应。该研究的学术背景聚焦于组织再生与免疫调控的交叉领域。研究者指出，糖尿病组织愈合延迟的关键病理特征在于免疫微环境的紊乱，其中中性粒细胞的死亡模式失调扮演了核心角色。在健康生理状态下，中性粒细胞在完成防御功能后，会通过程序性凋亡（Apoptosis）这一非炎性死亡方式被巨噬细胞有效清除（即胞葬作用，Efferocytosis），从而促进炎症消退和组织修复。然而，在高糖环境下，中性粒细胞倾向于发生细胞焦亡（Pyroptosis），这是一种由caspase-3切割gasdermin E (GSDME)蛋白介导的炎性、裂解性死亡方式。焦亡的中性粒细胞会释放大量促炎细胞因子，持续招募和激活更多中性粒细胞与M1型巨噬细胞，形成一个慢性炎症和自我损伤的恶性循环，严重阻碍了再生过程。因此，能否将中性粒细胞的死亡模式从促炎的焦亡“重编程”为促修复的凋亡，并同时增强巨噬细胞的胞葬功能，成为打破这一僵局、实现糖尿病组织有效再生的关键科学问题。基于此，本研究的目标是开发一种多功能的生物材料支架，通过力学与化学信号协同作用的“力-化耦合”策略，精确调控中性粒细胞命运，并增强巨噬细胞功能，最终实现糖尿病软、硬组织的加速再生。
本研究的工作流程系统而严谨，主要分为六个主要环节：问题确认与机制探索、材料设计与构建、体外细胞命运调控验证、体外免疫细胞功能与重编程验证、以及体内糖尿病软组织（皮肤）和硬组织（骨）再生疗效评估。研究的对象涵盖了细胞系、小鼠和大鼠模型，并在每个环节设置了详尽的对照组以确保结果的可靠性。
第一环节是确认糖尿病愈合延迟的核心机制。 研究者首先利用公共单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据库（GSE186821）对糖尿病（db）和野生型（wt）小鼠创面细胞进行分析。样本分析显示，糖尿病创面在早期愈合阶段（1-5天）持续存在更高比例的中性粒细胞。差异基因表达分析进一步发现，糖尿病创面中性粒细胞中焦亡相关通路（如NOD样受体信号通路）及关键执行基因（caspase-3和GSDME）的表达显著上调。这些生物信息学预测在体内得到了验证：通过建立链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病小鼠全层皮肤缺损模型，研究者发现糖尿病小鼠的创面闭合显著延迟。流式细胞术分析显示，糖尿病创面中发生焦亡（Annexin V+ SYTOX+）的细胞比例远高于野生型，且其中超过80%是中性粒细胞（CD45+CD11b+Ly-6GhighF4-80low），而非巨噬细胞。免疫荧光共染色和蛋白质印迹（Western Blot）结果一致证实，糖尿病创面组织中活化的caspase-3（cleaved caspase-3）和GSDME-N末端片段（GSDME-NT）的表达水平显著升高，并与中性粒细胞标记物Ly-6G共定位。这一系列结果清晰地证实了“糖尿病高血糖炎症困境源于中性粒细胞焦亡”的假设，为后续的干预策略提供了明确靶点。
第二环节是多功能气凝胶支架KAP的设计、制备与表征。 针对上述机制，研究团队创造性地设计了一种压电陶瓷纳米纤维气凝胶（Piezoelectric Ceramic Nanofiber Aerogel, KAP）。其构建流程包括：1）通过静电纺丝制备明胶/聚乳酸（Gelatin/PLA）纳米纤维膜；2）高速匀质化破碎后，与无铅压电陶瓷材料（K,Na)NbO3（简称KNN）粉末混合，经冷冻干燥形成多孔的三维气凝胶支架（KA）；3）通过EDC/NHS化学交联法，将一种维甲酸衍生物药物——培 retinoid衍生物培 retinoid（Peretinoin）共价接枝到KA支架上，最终得到KAP。研究采用了一系列先进的材料表征手段来确认KAP的成功构建和优异性能：扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）显示KNN颗粒均匀分布在多孔纳米纤维网络中；X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）证实了KNN的晶体结构和化学状态；傅里叶变换红外光谱（FTIR）证明了各组分的成功整合与相互作用。尤为重要的是，通过压电力显微镜（PFM）和有限元分析模拟，研究证实了KNN颗粒在超声（Ultrasound, US）激活下能产生显著的表面压电势，具备有效的力-电转换能力。此外，KAP表现出良好的药物缓释性能（28天持续释放）、适度的降解性（28天后质量保持84.3%）、优异的生物相容性（与HL60中性粒细胞和THP-1巨噬细胞共培养72小时存活率>95%）和血液相容性（溶血率仅为1.2%）。这些特性为KAP在体内的安全有效应用奠定了基础。
第三环节是探究KAP在体外对中性粒细胞死亡模式的定向调控作用。 研究者建立了体外高糖/脂多糖（LPS）刺激的炎症模型来模拟糖尿病病理环境。将分化后的HL60中性粒细胞与不同材料（对照组、KA、KAP）共培养，并设置是否联合超声（US，参数：1 MHz，1.5 W/cm2，10分钟）激活的组别。通过流式细胞术（Annexin V和SYTOX染色）区分细胞状态。结果显示，在高糖/LPS刺激下，对照组中性粒细胞焦亡率高达46.6%，凋亡率为19.5%。KAP支架单独作用可适度降低焦亡率至28.3%，但凋亡率未显著增加（25.8%）。而KAP+US联合处理则显著改变了细胞命运，将焦亡率降至20.7%，同时将凋亡率大幅提升至38.4%。细胞形态学观察和免疫荧光染色进一步佐证了这一结果：KAP+US组细胞呈现典型的凋亡特征（膜完整、体积缩小），而对照组则显示焦亡特征（细胞肿胀破裂）。为阐明分子机制，研究者对KAP+US处理后的中性粒细胞进行了RNA测序和分子生物学验证。结果表明，KAP的干预显著抑制了NOD样受体信号通路、细胞因子-细胞因子受体相互作用等促炎通路。关键机制在于：超声激活KAP产生的压电势诱导了中性粒细胞内钙离子（Ca2+）内流，激活了caspase-3。而同时从KAP中持续释放的Peretinoin药物，则抑制了caspase-3对GSDME的切割，从而阻断了焦亡的执行。被激活的caspase-3转而切割促凋亡蛋白Bcl-2，破坏Bcl-2/Bax平衡，放大线粒体凋亡信号，最终将细胞死亡“编辑”为凋亡。这一巧妙的“死亡模式编辑”策略是本研究的核心创新。
第四环节是研究KAP调控后的中性粒细胞如何影响巨噬细胞功能。 研究者收集了经不同处理的中性粒细胞条件培养基（CM），用以培养THP-1来源的巨噬细胞。酶联免疫吸附试验（ELISA）显示，来自KAP+US处理的中性粒细胞CM中，促炎因子（TNF-α， IL-1β）水平显著降低，而修复性因子（IL-10， TGF-β）水平升高。对巨噬细胞的转录组分析发现，KAP+US组巨噬细胞的基因表达谱发生显著重编程，促炎相关通路（如TNF、NF-κB信号通路）被抑制，而与吞噬功能相关的代谢通路（如脂肪酸生物合成、泛醌生物合成）则被上调，这为巨噬细胞执行高效胞葬作用提供了能量和膜结构基础。紧接着，研究者通过功能实验验证了巨噬细胞吞噬能力的增强。使用Lyso-Tracker染色和流式细胞术，发现KAP+US处理显著增强了巨噬细胞的溶酶体酸化水平，这是吞噬体成熟和降解的关键步骤。通过让巨噬细胞吞噬荧光微球，直接证实了KAP+US组巨噬细胞的吞噬活性最强。机制探索表明，KAP+US产生的压电势通过激活细胞膜上的电压敏感钙通道，引发了巨噬细胞内Ca2+内流，进而激活了CAMK2G/D、ERK2、NFATC1/2等下游信号分子，共同促进了吞噬功能的增强。最后，通过共培养实验直接观察巨噬细胞对凋亡中性粒细胞的清除（胞葬作用）。共聚焦显微镜结果显示，KAP+US组巨噬细胞的胞葬指数最高。同时，该组巨噬细胞高表达胞葬相关受体（如Gas6, Mertk, CD36），并且其极化表型从促炎的M1型（CD80+, CCR7+）向促修复的M2型（CD206+, Arg1+）转变，为组织再生创造了有利的免疫微环境。
第五和第六环节是评估KAP在体内对糖尿病软组织（皮肤）和硬组织（骨）再生的治疗效果。 在糖尿病小鼠皮肤全层缺损模型中，将动物分为对照组、US单独组、KAP单独组和KAP+US组。动态观察发现，KAP+US治疗显著加速了创面闭合，在第12天几乎达到完全愈合（97.8%），显著优于其他各组。组织学分析显示，KAP+US组创面再上皮化完全，胶原沉积致密且排列整齐。免疫学分析证实，治疗后创面局部促炎因子（TNF-α， IL-1β等）水平大幅下降，而抗炎因子IL-10和促血管生成因子VEGF表达上调。免疫荧光染色显示，创面中M2型巨噬细胞（CD206+）比例增加，新生血管（CD31+）和表皮再生标志物（K10+, K14+）也显著增多。在糖尿病大鼠颅骨临界尺寸缺损模型中，同样观察到KAP+US的卓越疗效。微型计算机断层扫描（Micro-CT）显示，KAP+US组新生骨量（骨体积分数BV/TV）、骨矿物质密度（BMD）和小梁骨数量（Tb.N）均显著高于对照组。组织学切片可见大量成熟的新生骨小梁和活跃的成骨细胞。免疫组化和免疫荧光证实，骨缺损局部M2型巨噬细胞浸润增加，而成骨标志物骨钙素（OCN）和RUNX2的表达也显著增强，表明免疫微环境的改善有效促进了成骨。
本研究得出了明确的结论： 研究团队成功开发了一种多功能压电陶瓷纳米纤维气凝胶（KAP），它通过“死亡模式编辑”策略，将糖尿病微环境中的中性粒细胞死亡模式从促炎的焦亡重编程为促修复的凋亡，并同时利用超声激活的压电效应增强巨噬细胞的胞葬功能和M2型极化。这种力学（压电刺激）与化学（药物释放）协同的双重机制，有效打破了糖尿病慢性炎症循环，从而显著促进了糖尿病皮肤创面和骨缺损的再生。这项研究的科学价值在于，它首次提出了通过生物材料精确编辑免疫细胞死亡模式以治疗糖尿病并发症的新范式，深化了对免疫微环境与组织再生之间因果联系的理解。其应用价值则体现在为治疗难愈性糖尿病创面及骨缺损提供了一种全新的、具有巨大临床转化潜力的治疗工具和策略。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面： 1. 创新性的科学问题与策略： 聚焦于“中性粒细胞死亡模式”这一尚未被充分重视的糖尿病愈合障碍核心环节，提出“死亡模式编辑”这一原创性治疗概念，视角新颖，靶点明确。 2. 巧妙的多功能材料设计： 研发的KAP材料将压电换能特性与药物控释功能有机整合于一体，实现了对免疫微环境的“力-化耦合”协同调控，设计精巧，功能强大。 3. 深入系统的机制阐释： 研究从单细胞测序发现现象，到体外深入探究分子通路（caspase-3/GSDME/Bcl-2轴、Ca2+信号等），再到体内验证功能与疗效，逻辑链条完整，证据扎实，层层递进，完整揭示了从材料刺激到细胞命运改变，再到组织功能恢复的全过程。 4. 广泛的应用潜力证明： 不仅在经典的糖尿病皮肤溃疡模型中验证了疗效，还成功拓展至糖尿病骨再生这一更具挑战性的领域，证明了该策略在不同类型糖尿病组织损伤中的普适性应用前景。 5. 良好的临床转化基础： 研究中使用的超声参数（1 MHz, 1.5 W/cm2）符合临床安全标准，材料具有良好的生物相容性和可加工性，为未来的临床转化奠定了坚实基础。
此外，研究者在讨论中也将其策略与现有的中性粒细胞靶向疗法（如靶向中性粒细胞胞外陷阱NETs）和各类功能性支架（如导电水凝胶、机械响应水凝胶）进行了对比，突出了KAP策略的上游干预和多靶点协同优势，进一步彰显了其独特价值。这项研究不仅为糖尿病组织再生提供了新的解决方案，也为利用先进生物材料调控固有免疫、治疗其他慢性炎症性疾病开辟了新思路。