研究简介:慢性糖尿病伤口是糖尿病常见且严重的并发症，因局部血氧供应受损而难以愈合，若放任发展可致残甚至截肢。现有敷料、抗生素与高压氧治疗等手段存在副作用明显、设备笨重、需频繁就医、费用高昂等局限.低强度光疗法（LLLT，600–950 nm、<50 mW/cm²）虽安全无痛且能促进愈合，却同样受制于传统光源体积大、需长期到院治疗而难以推广。针对上述难题，本研究开发了一种可穿戴、柔性且可自供氧的发光生物活性绷带（LEB@Cyan）。研究者先对光纤包层进行微孔加工以实现侧面发光，再将其织入常规纺织纱线，使器件能够贴合人体复杂曲面；随后将所得柔性发光绷带浸入蓝藻悬浮液进行浸渍负载，构建出兼具持续产氧与光生物调节双重功能的生物活性绷带。


该绷带以660 nm红光为光源，在优化的低剂量照射（2 mW/cm²）下，一方面通过光生物调节促进线粒体代谢、提升ATP供给，推动角质形成细胞迁移、成纤维细胞增殖与血管生成；另一方面利用蓝藻吸收红光进行光合作用持续释放氧气，缓解伤口缺氧微环境并下调HIF-1α表达，从而实现对糖尿病慢性伤口的协同治疗。


体外实验以33 mmol/L高糖与3% O₂模拟糖尿病伤口微环境，证实红光联合蓝藻在改善细胞缺氧、提升能量代谢方面优于单纯红光照射。动物实验采用自发性2型糖尿病GK大鼠构建直径10 mm的全层皮肤缺损模型，于造模后第1、3、5、7天给予660 nm、2 mW/cm²、35 min的光照治疗。结果显示LEB@Cyan治疗组伤口面积较单纯发光绷带组缩小74.76%，较未治疗糖尿病组缩小96.32%，疗效显著；血常规及心、肝、脾、肺、肾等主要脏器组织学分析未见明显毒性，显示出良好的生物安全性。该自供氧可穿戴发光织物将光源、供氧与敷料功能集成于一体，具备便捷、低成本、可居家使用的优势，为慢性糖尿病伤口管理提供了一种颇具临床转化与商业化前景的新策略。


Unisense微电极系统的应用


Unisense氧微电极被用作定量刻画蓝藻光合产氧行为的核心检测工具。研究者将不同浓度的蓝藻悬浮液（PBS，pH 7.4）置于 35 mm 培养皿中，用 LED 光源以 620、640、660、680 nm 四种波长、0–10 mW/cm² 的功率密度梯度进行照射，同时由 Unisense 氧电极实时、原位记录体系内溶解氧（DO）浓度的动态变化，并通过 15 分钟明暗交替循环进一步考察产氧的持续性。基于该电极获得的一手数据，研究明确了蓝藻产氧对波长与功率密度的依赖关系，在综合能量效率后锁定 660 nm、2 mW/cm² 为最优光照条件（该条件下溶解氧生成量最高达约 125 μmol）。Unisense 微电极把"蓝藻在红光照射下能否产氧、在什么参数下产氧最多"这一关键机制问题转化为可量化、可比较的溶解氧数据，为"光生物调节—光合供氧"协同策略提供了直接实验依据。借助明/暗循环下的连续监测，佐证了蓝藻可持续、可重复产氧的能力，从而支撑"自供氧绷带"在糖尿病伤口缺氧微环境中长期缓解缺氧的应用设想。


实验结论


研究成功构建了一种可穿戴、柔性、可自供氧的发光生物活性绷带 LEB@Cyan——通过对光纤包层微孔加工实现侧面发光并织入纺织纱线，再浸渍负载蓝藻，使绷带同时具备"低强度红光光生物调节"与"蓝藻光合持续供氧"双重功能；体外参数优化实验（Unisense 氧电极实时监测）表明，蓝藻在 620–680 nm 红光下均能光合产氧，综合考虑能量效率后确定 660 nm、约 2 mW/cm² 为最优照射条件（该条件下溶解氧生成量最高约 125 μmol，且在 15 min 明暗交替循环中保持持续产氧能力）；在此条件下，绷带发出的 660 nm 红光通过光生物调节作用于线粒体，提升 ATP 供给，同时蓝藻供氧显著改善高糖（33 mmol/L）缺氧（3% O₂）微环境、下调 HIF-1α 表达，从而协同促进角质形成细胞迁移、成纤维细胞增殖与血管生成；在自发性 2 型糖尿病 GK 大鼠全层皮肤缺损（直径 10 mm）模型中，经第 1、3、5、7 天各 35 min 的 660 nm、2 mW/cm² 照射治疗，LEB@Cyan 组伤口面积较单纯发光绷带（LEB）组缩小 74.76%、较未治疗糖尿病组缩小 96.32%，愈合效果显著优于对照组；安全性评价显示，血常规指标及心、肝、脾、肺、肾等主要脏器组织学分析未见明显毒性，生物相容性良好。

图1、LEB@Cyan持续供氧与稳健光生物调节的示意图

图2、红光照射下蓝藻光合作用产氧过程的表征。(a) 用于研究蓝藻光合作用产氧的自制光学装置的数码照片，可调节波长和功率密度。(b) 蓝藻光合作用产氧的示意图。(c) 不同波长（620、640、660 和 680 nm）及不同功率密度（0、2、4、6、8 和 10 mW/cm²）的红光照射下，含蓝藻细胞（10⁸ 细胞/mL）溶液中的溶解氧浓度。(d) 在红光照射（660 nm，2 mW/cm²）条件下，不同浓度蓝藻细胞溶液中的溶解氧浓度。(e) 含蓝藻细胞（10⁸ 细胞/mL）溶液在红光照射（660 nm，2 mW/cm²）或黑暗处理（15 分钟光照与 15 分钟黑暗）四次开关循环后，其溶解氧浓度的变化。

图3、红光下蓝藻细胞诱导的体外光生物调节效应评估。(a) HaCaT、HUVEC和HSF细胞系体外光生物调节实验的示意图。(b)–(g) 不同组别中HaCaT (b) 和 (c)、HUVEC (d) 和 (e) 以及HSF (f) 和 (g) 的HIF-1α免疫荧光图像及定量荧光分析。数据以均值±标准差（N=3）表示。统计显著性通过学生t检验计算得出。n.s.，无显著性；*P < 0.05，***P < 0.001。(h) HaCaT、HUVEC和HSF细胞系体外光生物调节评价实验的Transwell装置示意图。(i) 和 (j) 不同组别中HaCaT迁移的代表性图像及定量结果。(k) 和 (i) 不同组别HUVEC管形成过程的代表性图像及定量分析。数据以均值 ± 标准差（N = 3）表示。统计学显著性通过学生t检验计算得出。(m) 和 (n) 不同组别HSF细胞增殖的代表性图像及定量分析。数据以均值 ± 标准差（N = 3）表示。统计学显著性通过学生t检验计算得出。(o)–(q) HaCaT、HUVEC和HSF细胞系在不同处理条件下相对细胞内ATP浓度。

图4、LEB@Cyan的制备与表征。(a) 在自然光下（上图）和黑暗环境中（下图）的LEB样品的数码照片。(b) 佩戴LEB的人体前臂在自然光下（上图）和黑暗环境中的数码照片。(c) 佩戴或不佩戴LEB的人体前臂的红外热成像图。(d) LEB和LEB@Cyan的代表性照片。(e) LEB和LEB@Cyan的扫描电镜图像 。

图5、LEB@Cyan在大鼠糖尿病伤口愈合中的治疗效果。(a) 糖尿病伤口愈合实验的体内治疗方案示意图。(b) 大鼠在自然光和黑暗条件下佩戴轻化LEB@Cyan的数码照片。(c) 和 (d) 不同组大鼠伤口的代表性图像及定量分析。数据以均值±标准差（N=5）表示。(e) 第3天不同组大鼠伤口组织切片的H&E染色、Masson三色染色，以及CD31和HIF-1α免疫荧光染色结果。数据以均值±标准差（N=3）表示。绿色星号代表肉芽组织。(f)–(i) 染色组织切片图像中肉芽组织（f）、胶原沉积（g）、微血管面积（h）和HIF-1α表达水平（i）的定量分析。


结论与展望


活动依赖性代谢储备是APPPS1内嗅皮层组织脆弱性的主要位点。虽然基础氧耗和细胞外钾离子稳态在很大程度上得以保留，但神经元刺激暴露出APPPS1脑片CMRO₂反应的降低。异氟烷抑制了各基因型的代谢需求，从而降低了使这一储备缺陷显现出来的能量挑战强度。基于蛋白质组学信息的动力学建模进一步提示，高ATP需求下糖酵解能力下降是一个候选机制。这些发现表明，AD样皮层组织在静息时可能表现为代谢稳定，但在神经元需求增加时丧失储备，凸显了活动依赖性能量代谢可作为组织脆弱性的一个敏感读出指标。


这种组织固有的储备缺陷是否会转化为体内的围术期脆弱性，以及支持神经元能量供给的策略是否能够增强对麻醉应激的韧性。AD样皮层组织在静息时看似代谢稳定，但在神经活动增强时丧失代谢储备，这种活动依赖性代谢缺陷可能构成围手术期脑脆弱性的组织基础，未来需进一步在体内验证该组织固有储备缺陷是否能转化为临床相关的麻醉应激易感性。Unisense 优尼森微电极所提供的高分辨率氧分压实时数据，直接支撑了本研究的核心发现——即APPPS1模型在神经元激活下CMRO₂增幅显著降低、异氟烷以浓度依赖性方式抑制CMRO₂，以及[K⁺]₀稳态的改变，从而揭示了AD样脑组织的活动依赖性代谢脆弱性。