《Materials Today Bio》：MicroRNA-493-5p Engineered Exosomes Delivered via Piezoelectric Microneedles for Epigenetic Modulation of Macrophages in Diabetic Wound Healing
编辑推荐：
为解决糖尿病足溃疡因巨噬细胞极化失调导致的愈合障碍问题，研究人员开发了一种结合miR-493-5p工程化M2巨噬细胞外泌体与压电GelMA微针的多功能递送平台。该平台通过靶向HDAC1增强组蛋白H3K18乳酸化，激活STAT6轴，驱动代谢重编程以促进M2极化，从而加速伤口闭合、促进血管新生并减轻炎症。这一策略为慢性糖尿病伤口治疗提供了可转化的表观遗传-代谢疗法。
糖尿病足溃疡是糖尿病患者面临的严重并发症，全球有数百万人深受其扰。这类伤口之所以顽固不愈，一个核心难题在于伤口微环境中负责免疫调控的“清道夫”——巨噬细胞出现了功能紊乱。在健康的愈合过程中，巨噬细胞会从促炎的“M1”表型及时转变为促进修复的“M2”表型。然而，在高血糖的恶劣环境下，巨噬细胞常常“卡”在促炎的M1状态，导致炎症持续、组织修复受阻。虽然科学家们尝试用药物推动巨噬细胞向M2转变，但往往面临脱靶效应、难以在复杂的伤口局部实现精准时空调控等挑战。因此，开发能够精确调控巨噬细胞命运的递送系统，是破解糖尿病伤口愈合困境的关键。
近期研究揭示，一种名为“组蛋白乳酸化”的表观遗传修饰在推动M2极化中扮演着重要角色。乳酸，这个常被视为代谢废物的分子，实际上可以作为信号分子，修饰组蛋白（特别是H3K18位点），从而打开促修复基因的“开关”。与此同时，一类被称为microRNA（miRNA）的小分子RNA也参与调控这一过程。其中，miR-493-5p被发现与抗炎反应相关。但如何将脆弱且难以进入细胞的miRNA安全、高效地送达伤口深处的靶细胞，并协同表观遗传调控来重编程巨噬细胞，是一个巨大的技术瓶颈。
针对以上问题，一项发表在《Materials Today Bio》上的研究提出了一种创新的“一体化”解决方案。研究团队巧妙地将工程化的外泌体（一种天然的细胞间通讯囊泡）与先进的压电材料微针贴片相结合，构建了一个名为“Ag/GOx@GelMA/ZnO MN@EXO@miR”的多功能平台。该平台旨在通过递送miR-493-5p来靶向调控巨噬细胞的表观遗传与代谢状态，最终促进糖尿病伤口愈合。
为了开展这项研究，研究人员运用了多项关键技术。他们首先通过超速离心法从经白细胞介素-4（IL-4）诱导的M2型巨噬细胞中分离出外泌体，并利用电穿孔技术将合成的miR-493-5p高效装载进去，制成“工程化外泌体”（EXO@miR-493-5p）。接着，他们制备了以明胶甲基丙烯酰胺（GelMA）水凝胶为基质的微针阵列，通过光交联固化成型。为了赋予微针更多功能，他们在针尖部位涂覆了纳米银/葡萄糖氧化酶（Ag/GOx）复合涂层以提供抗菌和抗氧化能力，并在基底集成了氧化锌（ZnO）压电层。最后，他们将工程化外泌体负载到微针中，并通过真空辅助灌注确保均匀分布。在细胞和动物模型验证中，使用了包括RNA测序、蛋白质印迹、流式细胞术、免疫荧光、Seahorse细胞能量代谢分析以及小鼠糖尿病伤口模型在内的一系列生物医学研究技术。
研究团队围绕这一平台展开了一系列实验，得出了以下重要结果：
3.1. 乳酸介导巨噬细胞M2极化并加速伤口修复
研究人员发现，适宜浓度的乳酸处理可以有效地将巨噬细胞从促炎的M1表型诱导为促修复的M2表型。在糖尿病小鼠伤口模型中，局部施用乳酸显著促进了伤口闭合，并增加了M2型巨噬细胞标志物精氨酸酶-1（Arg1）的表达，同时降低了M1型标志物诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的水平。这证实了乳酸及其引发的表观遗传修饰在伤口愈合中的积极作用。
3.2. miR-493-5p在乳酸处理的巨噬细胞中富集并负责M2分化
通过RNA测序，研究人员发现乳酸处理能显著上调巨噬细胞中miR-493-5p的表达。进一步机制探索表明，miR-493-5p能够通过直接靶向组蛋白去乙酰化酶1（HDAC1）的3‘端非翻译区来抑制其表达。当在巨噬细胞中过表达HDAC1时，miR-493-5p所诱导的M2极化效应被逆转。这证明miR-493-5p是乳酸调控巨噬细胞表型转换的一个关键下游效应分子。
3.3. miR-493-5p靶向HDAC1通过组蛋白乳酸化依赖的STAT6激活驱动M2巨噬细胞极化
深入的机制研究表明，miR-493-5p通过抑制HDAC1，增加了组蛋白H3K18的乳酸化（H3K18la）修饰水平。这种表观遗传变化促进了信号转导和转录激活因子6（STAT6）向细胞核内转移并激活。激活的STAT6信号通路进一步上调了过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）和肉碱棕榈酰转移酶1A（CPT1A）等与脂质代谢重编程相关的基因，最终驱动巨噬细胞向M2表型转变和代谢重塑（从糖酵解转向氧化磷酸化）。
3.4. 工程化M2外泌体的制备与表征
为了解决游离miRNA易降解、递送效率低的问题，研究团队将miR-493-5p装载到M2巨噬细胞来源的外泌体中，成功构建了工程化外泌体EXO@miR-493-5p。表征显示，工程化外泌体保持了典型的形态和大小，并能被内皮细胞和巨噬细胞有效摄取。定量PCR证实，工程化外泌体成功将miR-493-5p递送至细胞内。
3.5. 工程化miR-493-5p外泌体的多重功能
体外实验证明，EXO@miR-493-5p能有效促进人脐静脉内皮细胞（HUVEC）的增殖、迁移和成管能力，表明其具有促血管生成作用。同时，它能显著诱导巨噬细胞向M2表型极化，上调Arg1并下调iNOS，证实了其免疫调节功能。
3.6. Ag/GOx@GelMA/ZnO MN@EXO@miR的制备与表征
研究团队进一步将工程化外泌体整合到一个多功能微针贴片中。该微针以GelMA水凝胶为基质，针尖涂有Ag/GOx涂层用于抗菌和抗氧化，基底为ZnO压电层。表征显示，微针机械强度足够刺穿皮肤，能均匀负载并缓慢释放外泌体。在超声波刺激下，ZnO压电层能产生微电场，显著增强了巨噬细胞对外泌体的摄取。该微针系统还表现出良好的生物相容性和强大的抗菌能力。
3.7. Ag/GOx@GelMA/ZnO MN@EXO@miR在体内加速糖尿病伤口愈合
在链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病小鼠伤口模型中，应用该多功能微针贴片能最有效地加速伤口闭合。组织学分析（苏木精-伊红染色和Masson三色染色）显示，治疗组伤口上皮化更完全，胶原沉积更丰富。
3.8. Ag/GOx@GelMA/ZnO MN@EXO@miR通过促进M2极化和血管新生在体内加速糖尿病伤口愈合
进一步的机理验证表明，该治疗能显著上调伤口局部M2巨噬细胞标志物Arg1，下调M1标志物iNOS，并有效清除活性氧。多普勒成像显示伤口血流灌注增加，免疫组化证实血管新生标志物CD31和α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）表达增强。这些结果综合表明，该平台通过协同的免疫调节、抗氧化、促血管生成作用促进了伤口愈合。
结论与讨论
本研究成功构建并验证了一种集成的、基于压电微针的工程化外泌体递送平台（Ag/GOx@GelMA/ZnO MN@EXO@miR），用于治疗糖尿病伤口。其核心创新在于揭示并利用了一条新的治疗轴心：递送的miR-493-5p通过靶向抑制HDAC1，增强组蛋白H3K18的乳酸化修饰，进而激活STAT6信号通路，驱动巨噬细胞的代谢重编程和向促修复M2表型的极化。
该平台的设计体现了多管齐下的治疗策略：1）工程化外泌体作为“生物导弹”，保护并精准递送治疗性miRNA；2）GelMA微针实现无痛、微创、持续的药物局部释放；3）Ag/GOx涂层对抗糖尿病伤口常见的细菌感染和氧化应激；4）ZnO压电层在超声波激活下产生电刺激，进一步增强外泌体的细胞内递送效率。在动物模型中，该系统显著加速了伤口闭合，改善了组织再生质量，其效果优于单独的微针或外泌体治疗。
这项研究的意义重大。首先，它在机制层面深化了对“代谢-表观遗传-免疫”交叉对话在伤口愈合中作用的理解，特别是明确了miR-493-5p/HDAC1/H3K18la/STAT6这条新通路。其次，在应用层面，它将先进的生物材料（智能响应微针）、纳米医学（工程化外泌体）和物理治疗（压电电刺激）相结合，为解决慢性伤口治疗中药物递送效率低、时空控制难、多病理因素并存等挑战提供了一个强有力的综合性方案。尽管在走向临床前仍需解决规模化生产、长期安全性评估等问题，但本研究为开发下一代慢性伤口治疗技术奠定了坚实的理论和实验基础。
