Biomaterials｜NYU团队：两阶段释放+血管靶向，“二合一”外泌体水凝胶单次给药缩短糖尿病伤口愈合时间88.9%，疗效碾压PDGF-BB

当前，糖尿病慢性伤口因持续性高血糖导致的血管生成障碍和局部微环境紊乱，成为临床修复的重大难题。尽管间充质干细胞（BMSC）来源外泌体在促血管生成和免疫调节方面展现出巨大潜力，但局部给药后外泌体快速清除、生物利用度低的瓶颈严重制约了其临床转化。如何实现外泌体在创面的长效滞留和可控释放，是该领域亟待解决的核心问题。

今天分享的是一篇发表在【Biomaterials.】（IF：13.6）上题为“Duo-nano exosome encapsulating hydrogel boosts wound healing across xenogenic and allogenic models”的研究，该研究将人间充质干细胞（BMSC）外泌体与工程化Q蛋白水凝胶整合，构建Exo-Q水凝胶——一种热响应性（UCST行为）、可适应创面不规则表面的新型外泌体递送平台。在LepR^db/db 2型糖尿病小鼠模型中，单次局部施用Exo-Q水凝胶使伤口愈合时间从29天缩短至17.7天，且外泌体局限于伤口部位，未在非靶器官中检测到。在人类皮肤异种移植模型中验证了其生物相容性。该研究建立了从BMSC表征、外泌体一致性质控到水凝胶工程化的完整转化路径。

 

研究思路

1.明确关键障碍：糖尿病慢性伤口愈合延迟的核心问题是血管生成受损和局部治疗药物/生物制剂在创面保留时间短、生物利用度低，现有标准护理疗效有限。

2.材料设计与制备：将人BMSC来源外泌体与工程化Q蛋白共凝胶化，构建Exo-Q水凝胶——一种热响应性（UCST行为）水凝胶，在皮肤温度下从凝胶转为溶液，适应创面不规则表面；外泌体与Q纳米纤维物理缠结结合，形成新的超分子网络实体。

3.系统表征与质控：从多个人供体BMSCs中提取外泌体，通过流式、分化实验、TEM、NTA和ExoView、RNA-seq系统验证BMSCs和外泌体的批次间一致性及选择性RNA包装特征。

4.水凝胶理化性能验证：通过TEM观察外泌体在水凝胶纤维网络中的分布；流变学评估力学性能（G‘/η*/E/ξ）；体外释放实验分析两阶段释放动力学；体内NIR荧光成像跟踪外泌体在创面的滞留和分布。

5.体外细胞实验：在外泌体处理的3T3成纤维细胞和HUVECs中通过CCK8实验和划痕实验评估增殖和迁移/间隙闭合能力。

6.体内疗效验证（xenogenic模型）：在LepR^db/db 2型糖尿病小鼠全层皮肤缺损模型中，以PDGF-BB凝胶为阳性对照，单次局部施用Exo-Q水凝胶，通过拍照和图像分析评估伤口闭合时间、愈合率、伤口负担（AUC）等。

7.组织学与免疫组化分析：通过HE染色、多光谱免疫染色（CD31/aSMA/Ki67/CD45/CC3）和定量分析，评估肉芽组织形成、血管新生、细胞增殖、免疫细胞浸润和凋亡。

8.机制初步探索：通过qPCR检测伤口组织中SDF1、IFNγ等修复相关因子表达变化。

9.异种移植模型验证：通过GFP标记外泌体追踪、组织学观察，在人类皮肤异种移植小鼠模型中验证Exo-Q水凝胶与人类皮肤的生物相容性。

10.生物分布与安全性评估：通过NIR荧光成像检测外泌体在非靶器官肝、肾、肺中的蓄积情况，初步评估安全性。

 

研究成果

1. BMSC来源外泌体的表征与批次一致性

图1A：流式细胞术显示BMSCs阳性表达CD44、CD73、CD105、CD90，CD106，阴性表达CD31、CD45、CD11b、CD19、HLA-DR，CD36表达<5%。

图1B：BMSCs具有成骨（茜素红）、成脂（油红O）和成软骨（阿利新蓝）三系分化能力。

图1C：TEM显示外泌体呈典型杯状/凹陷球体形态。

图1D-E：NTA显示不同供体外泌体粒径呈单峰分布，峰值136–146 nm，中位数147–151 nm。

图1F：ExoView干涉测量显示CD63、CD81、CD9捕获的外泌体平均直径分别为59.0 nm、58.0 nm、58.8 nm。

图1G：ExoView点阵图显示CD63和CD81抗体捕获的外泌体数量最多。

图1H：四跨膜蛋白丰度分析显示CD63和CD81信号最强。

图1I-L：共定位分析显示CD63⁺CD81⁺双阳性外泌体为主要群体，CD9⁺外泌体为独立群体。

这些结果表明，不同供体来源的BMSC及其外泌体在表型、形态、粒径和膜标志物方面具有良好的一致性和可重复性。

 

2.外泌体携带富集于血管生成相关通路的miRNA

图2A：细胞与外泌体RNA-seq分析流程示意图。

图2B：PCA显示BMSCs与外泌体之间RNA组成差异显著，供体间变异性极小。

图2C：热图显示BMSCs与外泌体中上调/下调转录本的差异表达模式。

图2D：气泡图显示外泌体前15 miRNA靶向的前20血管生成相关基因。

这些结果表明，外泌体RNA并非BMSC RNA的被动反映，而是选择性包装的结果，富集的miRNA家族可协同调控多个血管生成相关基因网络。

 

3. Exo-Q水凝胶的制备与表征

图3A：Exo-Q水凝胶制备示意图——外泌体与Q蛋白纤维共凝胶化形成新实体。

图3B-D：TEM显示Exo-Q水凝胶中Q蛋白形成物理缠结的纳米纤维网络，外泌体沿纤维表面分布，保留典型杯状形态，密度约35个/μm²。

图3E：流变学频率扫描显示Exo-Q的储能模量（G‘）显著高于Q-only。

图3F：定量比较显示Exo-Q的tan(δ)、复数粘度η*、杨氏模量E均显著升高，理想网格尺寸ξ从101 nm降至67 nm。

图3G：Exo-Q水凝胶在糖尿病小鼠伤口表面35分钟内逐渐溶解，发生凝胶-溶液相变，且不流出创缘。

图3H：示意图总结Exo-Q水凝胶的相变和外泌体释放机制。

这些结果表明，外泌体与Q纤维共凝胶化显著增强水凝胶的机械强度和弹性，Exo-Q具有适应创面不规则表面的热响应相变特性。

 

4. Exo-Q水凝胶的释放曲线与体内分布

图4A：UV-vis光谱及校准曲线显示外泌体加载效率为91.9±1.9%（约2.76×10⁹个外泌体/水凝胶）。

图4B：释放曲线显示两阶段释放模式——初始24 h内快速释放，随后24–100 h持续缓释，拟合Gallagher-Corrigan模型显示k₂>k₁（基质侵蚀介导释放慢于扩散）。

图4C-D：体内NIR荧光成像显示荧光信号在24 h达最大面积，随后逐渐减弱至POD21消失。

图4E-G：POD5伤口组织切片显示NIR-Exo信号位于番茄凝集素标记的血管内皮细胞中。

图4H-L：肾、肝、肺组织切片中未检测到NIR荧光信号。

这些结果表明，Exo-Q水凝胶实现外泌体的两阶段持续释放，外泌体局限于伤口部位并被血管内皮细胞摄取，未在非靶器官中蓄积。

 

5. Exo-Q对伤口上皮间隙的影响

图5A：CCK8显示外泌体对3T3成纤维细胞增殖无显著影响。

图5B：CCK8显示外泌体使HUVECs数量增加约20%。

图5C-F：划痕实验显示外泌体对3T3成纤维细胞和HUVECs的迁移/间隙闭合无显著影响。

图5G：HE染色显示POD5和POD10各组伤口上皮边缘间隙。

图5H-I：定量分析显示POD10 Exo-Q组上皮间隙显著小于未处理db/db组和Q-only组。

这些结果表明，Exo-Q在体内加速上皮再生的效果不能通过单层细胞迁移实验完全预测，其促愈合作用涉及更复杂的组织层面多细胞协同。

 

6. Exo-Q促进肉芽组织形成和免疫细胞浸润

图6A：HE染色显示Exo-Q处理db/db伤口从POD5到POD10出现大量肉芽组织扩张。

图6B-G：多光谱免疫染色显示POD10 Exo-Q处理db/db伤口中CD31⁺血管、αSMA⁺肌成纤维细胞、Ki67⁺增殖细胞和CD45⁺免疫细胞的分布模式与WT相似。

图6H：qPCR显示Exo-Q处理db/db伤口中SDF1和IFNγ显著上调。

这些结果表明，Exo-Q处理使糖尿病伤口的细胞组成和免疫微环境更接近野生型伤口，促进肉芽组织形成并上调关键修复因子。

 

7. Exo-Q显著加速糖尿病伤口愈合

图7A：各组伤口代表性照片，Exo-Q处理db/db伤口愈合速度显著加快。

图7B：时间至闭合统计显示Exo-Q组显著短于Q-only组和未处理db/db组，与WT组无显著差异。

图7C：未愈合面积百分比曲线显示Exo-Q组与WT组重叠。

图7D：伤口负担（AUC）显示Exo-Q组显著低于未处理db/db组。

图7E：伤口闭合速率（斜率）显示Exo-Q组与WT组相近，显著快于未处理db/db组。

图7F：各阶段愈合百分比显示Exo-Q组在POD0-14期间已实现大部分愈合（与WT一致）。

这些结果表明，单次Exo-Q水凝胶局部施用使糖尿病伤口愈合时间从29天缩短至17.7天（改善88.9%），达到野生型水平，疗效显著优于FDA批准的PDGF-BB凝胶。

 

8. Exo-Q在人类皮肤异种移植模型中的生物相容性

图8A-B：HE染色显示人-鼠皮肤异种移植界面和人类皮肤创面。

图8C：Exo-Q水凝胶施用于较厚的人类皮肤创面后沉入创面床。

图8D：GFP标记外泌体的体内成像显示荧光信号持续至POD5，之后降至检测限以下。

这些结果表明，Exo-Q水凝胶与人类皮肤组织具有良好的生物相容性，Q纤维在适合临床伤口愈合的时间框架内降解，未对愈合进程产生不良干扰。

 

结论

研究成功构建了Exo-Q水凝胶——一种将人BMSC外泌体与工程化Q蛋白纳米纤维共凝胶化的热响应性递送平台。Exo-Q水凝胶具有独特的UCST行为，在31°C皮肤温度下经历凝胶-溶液相变，适应创面不规则表面。外泌体加载效率达91.9%，呈初始快速释放+持续缓释释放。RNA-seq证实外泌体携带富集于血管生成相关通路的miRNA；在LepR^db/db 2型糖尿病小鼠模型中，单次局部施用Exo-Q水凝胶使伤口愈合时间从29天缩短至17.7天（改善88.9%），达到野生型水平，疗效显著优于PDGF-BB凝胶。外泌体局限于伤口部位并被血管内皮细胞摄取，未在非靶器官蓄积，证明安全性良好。在人类皮肤异种移植模型中验证了其生物相容性。

 

临床/科研启示

1.新型无细胞疗法：Exo-Q水凝胶通过局部单次涂抹，即可显著加速糖尿病小鼠伤口闭合，有望替代传统反复清创或生长因子（如PDGF-BB）疗法，提高患者依从性。

2.安全性与便捷性：外泌体局限在伤口局部，未在肝肾等非靶器官蓄积；水凝胶可在4°C稳定储存，无需活细胞保存，便于“即拿即用”和居家护理。

3.兼容人皮肤：在人体皮肤异种移植模型中未见免疫排斥或愈合障碍，支持跨物种应用，为临床转化提供直接依据。

4.智能递送系统设计：Q蛋白水凝胶具UCST特性（低温凝胶、体温溶解释放），不同于传统LCST水凝胶，可适应不规则创面；外泌体与纤维网络结合，实现“初期突释+后期缓释”的双相释放动力学。