《Bioactive Materials》：Spermidine-functionalized Janus hydrogel microneedles inhibit ferroptosis and promote healing of oral ulcers
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本研究针对口腔溃疡治疗中药物局部滞留差、黏膜粘附不足的临床挑战，创新性地发现铁死亡是溃疡进展的关键驱动因素。研究人员构建了一种不对称粘附、靶向铁死亡的精胺功能化Janus水凝胶微针系统（MN-HTSO-C），该系统通过化学接枝和动态希夫碱交联制备，能将药物靶向递送至黏膜组织。研究结果表明，该系统通过特异性递送精胺，有效抑制了铁死亡，减少了活性氧积累，重编程了局部免疫微环境，从而促进了血管生成和上皮再生。该工作不仅阐明了一种新的病理机制，还提出了一个结合靶向递送、免疫调节和铁死亡抑制的综合治疗策略，为口腔溃疡及其他铁死亡相关黏膜疾病的治疗提供了新方向。
想象一下，每次吃饭、喝水甚至说话时，口腔内壁传来的阵阵刺痛——这正是全球约四分之一人口深受困扰的口腔溃疡。这种高发的口腔黏膜炎症性疾病，不仅带来剧烈疼痛和功能障碍，其反复发作的特性更是严重影响了患者的生活质量。目前临床一线治疗主要依赖局部糖皮质激素和麻醉药，然而，唾液冲刷导致的药物驻留时间短、溃疡表面致密纤维蛋白屏障阻碍药物渗透，以及缺乏针对疾病核心驱动因素的干预手段，使得传统疗法疗效有限。更关键的是，溃疡发生发展的深层病理机制尚未完全阐明，这成为了开发高效靶向疗法的瓶颈。
近期，一种名为铁死亡的细胞程序性死亡方式，在溃疡性结肠炎、胃溃疡等多种黏膜疾病中被发现扮演关键角色。这种铁依赖性的、由脂质过氧化驱动的细胞死亡形式，是否也是口腔溃疡背后的“隐形推手”？为了回答这个问题，研究人员在《Bioactive Materials》上发表了一项开创性研究。他们通过转录组测序分析，首次在口腔溃疡组织中发现了铁死亡信号通路的显著激活，其特征是谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）等关键抑制因子下调，以及精胺/精胺N1-乙酰转移酶1（SAT1）、酰基辅硫辛酰合成酶长链家族成员4（ACSL4）等促铁死亡元件上调。这一发现将研究焦点转向了探索能够直接、多层面干预铁死亡通路的新型治疗剂。
精胺，一种内源性多胺，因其多靶点作用机制成为理想候选。与常用的外源性抗氧化剂或铁螯合剂不同，精胺是人体内源代谢物，避免了异源物质的免疫原性风险。它通过发挥抗氧化效应、激活自噬清除受损线粒体、诱导M2型巨噬细胞极化抑制核因子κB（NF-κB）信号通路等多种机制缓解铁死亡，从而有望从源头上打破“氧化应激-铁死亡-炎症”的恶性循环。然而，精胺的高亲水性和差的黏膜渗透性阻碍了其临床转化，使其难以在湿润、动态的口腔环境中实现靶向递送和持续滞留。
为了解决这一递送难题，研究团队创新性地设计了一种Janus不对称粘附微针系统（MN-HTSO-C），专门用于应对口腔环境（湿润、动态、存在纤维蛋白屏障）的独特挑战。从材料化学角度，他们借鉴高性能生物粘附剂的策略，采用了动态共价交联（如动态希夫碱形成）以确保强大的湿黏膜粘附力。具体而言，透明质酸（HA）被活化后通过酰胺键接枝精胺，随后与氧化葡聚糖（ODEX）交联形成三维网络（HTSO）。利多卡因被物理掺入此功能粘附基层。顶层非粘附层（GSC）由羧甲基壳聚糖（CMCS）、明胶（Gel）和丝素蛋白（SF）组成，主动防止与周围健康黏膜粘连。这种设计有效解决了传统粘附敷料导致的不适和对邻近组织的二次损伤。同时，集成的微针阵列提供了主动机械穿透能力，使其能够克服阻碍表面应用系统的不可渗透纤维蛋白物理屏障，从而实现对治疗成分的精准、靶向递送至黏膜下层。
为开展研究，研究人员运用了几个关键技术方法。他们通过化学合成制备了氧化葡聚糖（ODEX）和精胺接枝的活化透明质酸（HTS），并通过动态希夫碱反应形成HTSO水凝胶。非粘附的GSC水凝胶层则通过物理交联（Ca2+离子）方法制备。最终的Janus不对称粘附微针贴片（MN-HTSO-C）采用模具法分步浇筑成型。研究利用SD大鼠乙酸诱导的口腔溃疡模型进行体内疗效评估，并通过转录组测序（RNA-seq）、蛋白质印迹（Western blot）、免疫荧光染色、扫描电镜（SEM）、流式细胞术等多种技术手段，系统评价了该微针系统的理化性质、药物释放行为、黏膜粘附性、生物相容性及其治疗机制。涉及的人类口腔溃疡组织样本来源于第三附属医院的患者（n=6），并获得知情同意。
3.1. 铁死亡发生在患者和实验大鼠模型的口腔溃疡组织中
转录组测序分析揭示，口腔溃疡组织中铁死亡信号通路显著富集。基因集富集分析（GSEA）进一步证实了铁死亡相关基因特征在溃疡环境中的聚集和参与。体外实验表明，铁死亡特异性抑制剂Fer-1能最有效地提升炎症和氧化应激环境下口腔角质细胞的存活率。在大鼠体内干预实验中，铁死亡抑制剂Liproxstatin-1（LIP-1）治疗显著缩小了溃疡面积，促进了上皮完整性恢复和基底细胞增殖，其效果优于单纯的抗氧化剂维生素C（VC）。对人和大鼠溃疡组织的检测发现，铁死亡关键分子标志物4-羟基壬烯酸（4-HNE）、前列腺素内过氧化物合酶2（PTGS2）、丙二醛（MDA）和Fe2+水平均显著上调，而核心调控蛋白SAT1和ACSL4也高表达。LIP-1干预能有效逆转这些变化。这些结果强有力地表明铁死亡是口腔溃疡组织中的一种重要病理特征。
3.2. HTSO的合成
成功合成了ODEX，并通过1H NMR确认其醛基形成。通过EDC/NHS化学活化HA的羧基，并成功接枝SPD得到HTS，其接枝度经1H NMR测定为50.2%。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析进一步证实了HTS的成功合成以及HTS与ODEX通过希夫碱反应形成HTSO水凝胶网络。
3.3. HTSO和GSC的表征
扫描电镜（SEM）显示不同配比的HTSO水凝胶（HTSO-5, HTSO-10, HTSO-15）均呈现多孔三维网络结构，孔径大小随ODEX含量增加而减小。HTSO-5具有最大的溶胀比和SPD释放速率。流变学测试和SEM界面观察证实了GSC层与HTSO层之间形成了紧密结合的Janus结构。
3.4. HTSO的特性
LC-MS分析显示，SPD接枝到系统中后，其在黏膜组织的滞留显著增强。力学性能测试（分离力、搭接剪切强度、拉伸粘附强度）表明，HTSO-5具有最强的黏膜粘附力，且失效模式主要为水凝胶本体内的内聚失效。而缺少SPD功能化的对照组（HTSO-5-C）则几乎无粘附性能，证明了该Janus水凝胶的不对称粘附特性。
3.5. MN-HTSO-C微针贴片的制备与表征
成功制备了MN-HTSO-C微针贴片，SEM显示微针排列整齐，形态良好。力学测试表明单针穿刺力约为0.5 N，具备穿透组织的能力。体内实验证实微针能有效穿透溃疡纤维蛋白层进入黏膜下层，并在体内粘附超过72小时。LC-MS分析显示局部SPD浓度在24小时达到峰值，并能维持治疗水平约48小时，支持每两日更换一次的方案。加速稳定性试验表明该贴片的关键功能属性在不同储存条件下基本保持稳定。
3.6. MN-HTSO-C在体外的铁死亡抑制、抗炎和抗氧化特性
细胞实验表明，MN-HTSO-C在低浓度下具有良好的生物相容性。在H2O2诱导的氧化应激模型中，MN-HTSO-C能显著抑制铁死亡（降低脂质过氧化）、清除活性氧（ROS）、并发挥抗炎作用（下调诱导型一氧化氮合酶iNOS，上调精氨酸酶1 ARG1）。其保护作用与经典的铁死亡抑制剂Ferrostatin-1（Fer-1）相当。
3.7. MN-HTSO-C在体内的治疗效果
在大鼠口腔溃疡模型中，MN-HTSO-C治疗组表现出最快速的伤口闭合、上皮结构恢复和最有序的胶原沉积，疗效显著优于临床阳性对照（康华德克贴片）、单独SPD微针（MN-SPD）、游离SPD溶液、单独利多卡因微针（MN-LA）及空白对照组。免疫荧光和蛋白质印迹分析证实，MN-HTSO-C能显著上调上皮标志物KRT14和血管生成标志物CD31，下调促炎因子肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、髓过氧化物酶（MPO）和iNOS，并有效抑制铁死亡关键蛋白ACSL4的表达，降低MDA和Fe2+水平。透射电镜观察显示MN-HTSO-C能改善溃疡组织的线粒体超微结构。
3.8. 通过RNA测序分析阐明MN-HTSO-C的治疗机制
RNA测序分析显示，MN-HTSO-C治疗显著改变了溃疡组织的转录组谱。基因本体（GO）富集分析和GSEA证实，MN-HTSO-C处理后，铁死亡信号通路被显著抑制。京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析和GSEA进一步表明，其治疗效应与调节NF-κB和PI3K-Akt信号通路密切相关。
3.9. MN-HTSO-C治疗机制的验证
机制验证实验表明，SPD作为上游信号分子激活了PI3K-Akt通路，进而上调抗氧化转录因子Nrf2，促进其下游靶点GPX4的表达，从而直接清除脂质过氧化物抑制铁死亡。同时，MN-HTSO-C抑制了NF-κB通路活化（减少p65核转位），进而下调TNF-α、IL-6、COX2等炎性因子表达。此外，MN-HTSO-C还通过上调铁输出蛋白SLC40A1促进铁外排，降低细胞内游离铁水平，协同抑制铁死亡。使用Akt特异性抑制剂MK-2206可取消MN-HTSO-C的细胞保护作用，证实了PI3K-Akt-Nrf2轴的关键地位。
研究结论与讨论部分强调，该工作确立了一个从“新机制识别-新治疗剂应用-新递送系统创建”的连贯研究轨迹。MN-HTSO-C平台是一个以铁死亡为明确靶点的机制驱动型协同治疗平台。该系统不仅能实现SPD在溃疡部位的持续、控释和高效局部富集，还能通过激活多条分子通路促进上皮再生和胶原重塑，加速整体愈合。这种治疗效果相较于临床标准制剂和单通路抑制剂显示出优越的协同功效。
该研究也存在一些局限性，例如疗效数据来源于大鼠急性溃疡模型，可能不能完全复现人类复发性溃疡的病理生理；微针力学参数针对颊黏膜优化，应用于其他口腔表面可能需要调整；Janus不对称结构的大规模制备需要进一步优化工艺以保证批间一致性。
尽管如此，这项研究首次确定了铁死亡是口腔溃疡进展的核心病理机制，并据此开发了一种SPD功能化的Janus水凝胶微针递送系统。该系统通过整合铁死亡抑制、免疫调节和靶向递送，为口腔溃疡的精准治疗提供了一种新颖且具有转化潜力的综合策略，也为研究其他铁死亡相关黏膜疾病提供了新的见解和实验框架。
