Nat. Commun. | 用于慢性感染伤口家庭护理的可穿戴、可拉伸双波长 LED 贴片设备

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前言

光疗是一种安全、无创的抗感染解决方案，同时可促进伤口愈合。传统的光疗设备体积庞大，仅限于医院使用。为了克服这些挑战，本文开发了一种可穿戴、灵活的红蓝双波长LED (r&bLED) 贴片，由移动连接系统控制，该贴片具有出色的皮肤相容性、灵活性和舒适性。同时合成了一种可喷涂的纤维蛋白凝胶 (F-gel)，其中含有蓝光敏感的百里香醌和红光协同 NADH。与 bLED 结合，百里香醌可在几分钟内消灭微生物和生物膜，无论抗生素耐药性如何。NADH 和 rLED 协同改善巨噬细胞和内皮细胞线粒体功能，促进伤口愈合，减少炎症，增强血管生成，这在小鼠和小型猪感染的糖尿病伤口中得到了验证。这项创新技术对于彻底改变家庭治疗慢性感染伤口的光疗法具有巨大的前景。

本研究由上海交通大学医学院附属第九人民医院整形外科、上海交通大学医学院附属瑞金医院骨科、上海市骨关节疾病防治重点实验室、上海市创伤骨科研究所、哈佛医学院麻省总医院皮肤病学系威尔曼光医学中心的团队合作完成。详细内容于10月30日报道在了《自然·通讯》杂志。

可穿戴 r&bLED 贴片与可喷涂纤维蛋白凝胶结合用于伤口治疗

可穿戴光疗设备的电路结构和渲染图。

a. 设备构造的渲染图。

b~c. 前(b)和后(c)的配置智能控制模块。

d. 智能控制模块的电路结构。

a. 可穿戴光疗装置的应用示意图。

b. 可穿戴r &bLED 光斑及控制模块的示意图。

c. r&bLED 光斑的结构。

d. r&bLED 光斑的特性。

e. 慢性伤口管理联合治疗的示意图。

f. F -gel 的组成和特性。

g. 联合治疗的疗效。

h. 基于体内感染糖尿病小鼠模型和体内感染糖尿病小型猪模型验证糖尿病伤口愈合功效。

r&bLED 贴片的制备和特性

a. 柔性 r&bLED 贴片的制备示意图。

b. LED 开启或关闭时 r&bLED 贴片的真实图片。

c. 是否用 PDMS 封装的 r&bLED 贴片的光功率密度。

d. r&bLED 贴片中 LED 芯片的电流/电压特性。

e. 通过控制 LED 芯片的正向电流可调节 r&bLED 贴片的光功率密度。

f. rLED 和 bLED 的光功率密度分布热图。

g. r &bLED 贴片的真实图片显示了拉伸和折叠特性。

h~i. rLED 和 bLED 的功率密度与弯曲半径(h)和拉伸百分比(i)图。

j~k. rLED 和 bLED 的功率密度偏差百分比与弯曲(j)和拉伸(k)周期图。

l. 便携式光疗设备和控制模块的照片。

m. r &bLED 贴片戴在手腕上。

n. 用混合反光漆的 PDMS 封装后 r&bLED 贴片的图片。

o~p. 打开 LED 芯片后 r&bLED 贴片的热成像照片(o)和温度-时间曲线(p)。

q. 在 PBS 中浸泡不同时间后 bLED 和 rLED 的功率密度(每组n=3个生物学独立的样本)。正向电流调节为 25 mA。

r. 刮掉贴片（封装前或封装后）后棉签中残留的细菌暴露于含有 MRSA 的悬浮液。

可喷涂和原位形成的纤维蛋白凝胶的特性

a. 图片展示F-gel的喷涂和成膜性能。

b. F-gel的代表性扫描电子显微照片。

c~d. F-gel的流变特性。

e. F-gel中TQ和NADH的释放曲线。

f. TQ、NADH的吸收光谱以及rLED和bLED的光谱。

g~h. TQ、NADH(g)和F-gel(h)的激发和发射光谱。

i~j. F-gel与bLED结合生成H2O2(i)和OH(j)。

k. 通过EPR鉴定和测量的·OH、O2·-或1O2加合物。

l F-gel的透光率。

m~n. F-gel的粘合性能。

o. PDT 期间 NADH 对细胞的保护作用示意图。

p. 不同处理后 HUVEC 的细胞活力。

q~r. 细胞内 ROS 的统计分析(q)和代表性图表(r)。

r&bLED贴片和F-gel组合的体外抗菌效果和作用机制

a. 实验设计和抗菌机制示意图。

b. 浮游培养中所示细菌菌株的杀灭曲线。

c. 棋盘格表示 bLED 和F -gel 对浮游细胞中所示细菌菌株的协同相互作用。

d. S 值分布图。

e~f. 经或未经 bLED(30J/cm2)和 F-gel(最终TQ浓度为100μg/mL)处理的 MRSA 和Pa的代表性扫描电子显微照片(e)和透射电子显微照片(f)。箭头表示细菌包膜损伤，星号表示细胞中的液泡和气泡。

g~h. 经 bLED(30 J/cm2)和F-gel(最终TQ浓度为100μg/mL)联合处理后， MRSA(上)和Pa(下)浮游细胞的代表性荧光图像。分别用H2DCFDA(g)和HPF(h)染色评估细菌胞内ROS和·OH,用PI染色评估细菌活力。

i. 不同处理（bLED,60J/cm2；F-gel 的最终TQ浓度,100 μg/mL)后SYTO TM 9（绿色）和PI（红色）染色的成熟生物膜的共聚焦图像和相应的3D图像。

j. 用PBS和用F-gel（最终TQ浓度，100μg/mL）处理（15J/cm2）后Pa表达基因的热图(倍数变化≥2和q<0.05)。

k. 通过GO富集分析对PBS组和用F-gel处理的bLED组之间的差异表达基因进行功能分类。

r&bLED 与 F-gel 协同作用，通过改善 MRC 加速血管生成

a. rLED联合F-gel改善线粒体功能的机制示意图。

b. 在有或无LPS、F-gel（NADH浓度，100μM）和不同能量密度的rLED（rLED-L，1 J/cm 2 ；rLED-M，3 J/cm 2 ；rLED-H，5 J/cm 2 ）共培养后HUVEC细胞内NAD ( H )水平、 CIV活性和ATP水平。

c. f 代表性EdU染色显微照片(c)及不同处理24小时的HUVEC阳性比例的统计分析(c)。

d、g. 光学显微镜观察HUVEC的划痕实验(d)并计算相对划痕面积(g)。

e、h. 处理后HUVEC的管状形成情况(e)及毛细血管长度的统计分析(h)。

i、k、m. 与LPS共培养及不同处理后，CLSM观察到HUVECs的胞内ROS(i)、线粒体膜电位(ΔΨM)(k)及NF-κB p65核转位(m)。

j、l、n. HUVECs胞内ROS(j)、线粒体膜电位(ΔΨM)(l)及NF-κB p65核转位(n)的统计分析。

o~q. Annexin V/PI双染分析LPS(100 ng/mL,48h)和TNF-α(80 ng/mL,48h)诱导的HUVECs凋亡。

p~r. 定量分析LPS(p)和TNF-α(r)诱导的HUVECs凋亡。

r&bLED贴片与F-gel结合通过基于能量的代谢重编程调节巨噬细胞极化

a. 方案示意图（G1，对照；G2，LPS；G3，LPS + F-gel；G4，LPS+rLED；G5，LPS + F-gel+rLED）（rLED，3 J/cm 2；F-gel 中的 NADH 浓度,100 μM）。

b. rLED 结合 F-gel 通过代谢重编程调节巨噬细胞极化的机制示意图。

c. 实时测量未受刺激（对照）或受LPS刺激的 THP-1 细胞的ECAR和OCR(c)。

d. 不同处理后THP-1细胞内的NAD(H) 水平(左)和 NAD + /NAD(H)比率(右)。

e. 不同处理后 THP-1 细胞内的 NO x水平（左）和 CIV 活性（右）。

f~g. 与LPS共培养及不同处理后CLSM观察THP-1和RAW264.7细胞NF-κB p65核转位(f)及细胞核内P65强度定量分析(g)。

h~i. 不同处理后CLSM观察THP-1和RAW264.7细胞iNOS(h)及平均荧光强度定量分析(i)。

j. ELISA定量THP-1细胞培养上清中促炎细胞因子水平。

k. 流式细胞术分析THP-1细胞中CD206和CD86的表达。

对MRSA感染的糖尿病伤口小鼠模型的体内增强愈合功效

a. 研究方案包括 BALB/c 小鼠腹腔注射 STZ 、造成伤口和接种 MRSA，然后进行治疗（G1，对照；G2，F-gel；G3，rLED+F-gel；G4，bLED+F-gel；G5，r&bLED+F-gel）（rLED，3 J/cm 2；bLED，36 J/cm 2；F-gel 中的 NADH 浓度，100 μM；F-gel 中的 TQ 浓度，200 μg/mL）。

b. 急性感染伤口的细菌发光图像和微生物琼脂平板的代表性照片。

c. 平均发光表示为每个模型相对于时间零点的对数相对发光单位（lg RLU）。

d. 接种细菌后评估伤口中的细菌负担。

e. 皮肤伤口的代表性照片。

f. 不同时间点不同组别16天内伤口愈合率的定量数据。

g 、i、k. 第8天和第16天伤口的代表性图像，其中H&E(g)、MTS(i)和CD31和αSMA免疫荧光染色(k)。

h 、j、l. 第8天和第16天不同组的肉芽组织厚度(h)、胶原沉积率(j)和血管数量(l)的量化。不同治疗后伤口组织中的

m~o. NAD + /NAD(H)比率(m)、CIV活性(n)和ATP水平(o)。

r&bLED贴片联合F-gel对体内炎症调节的作用

a~b. 第 8 天和第 16 天伤口的代表性图像，其中 IL-6/TNFα(a)和 CD86/CD206(b)进行免疫荧光染色。

c. 用 PBS 或含有 r&bLED 的 F-gel 治疗后伤口组织差异表达基因的热图和功能分类（倍数变化 ≥ 2 和q < 0.05）。

d. 下调基因的 GO 富集分析。

e~j. 基因集富集分析（GSEA）图像。

r&bLED 与 F-gel 结合可增强感染糖尿病小型猪的伤口愈合

a. 研究方案包括巴拿马小型猪的 STZ静脉注射、血糖监测、伤害和 MRSA 接种，然后进行治疗（G1，对照；G2，F-gel；G3，rLED+F-gel；G4，bLED+F-gel；G5，r&bLED+F-gel）（rLED，3 J/cm 2；bLED，36 J/cm 2；F-gel 中的 NADH 浓度，100 μM；F-gel 中的 TQ 浓度，200 μg/mL）。

b. 猪伤口的代表性照片。

c~d. 不同治疗后伤口组织中的NAD + /NAD(H) 比率（c）和 CIV 活性（d）水平（每组n = 5 个生物学独立样本，数据以平均值±SEM 表示，通过双向方差分析和 Dunnett 多重比较检验计算统计学显着性)。

e~f. 第 8 天伤口的代表性图像，采用 H&E(e)和 MTS 染色(f)。

g. 第 8 天和第 20 天伤口的代表性图像，采用 CD31 和 αSMA 免疫荧光染色。

h. G1和 G5 伤口组织差异表达基因的热图和功能分类(倍数变化≥2和q<0.05)。

i~j. 下调(i)和上调(j)基因的 GO 富集分析。

结论

本文开发了一种可穿戴、可拉伸的双波长 r&bLED 贴片用于家庭光疗，使用简单的制造工艺和低成本材料进行大规模个性化生产。该贴片舒适可穿戴，它薄如纸、可拉伸，可以在运动时使用。它提供可调节的光功率密度和均匀的光分布，消除了光覆盖不足的区域。贴片治疗确保了出色的安全特性。此外，患者可以方便地使用移动应用程序控制灯的开关和功率，同时监测治疗区域的实时温度，适合在家中对慢性伤口进行光疗应用，包括但不限于老龄化人群的伤口、糖尿病溃疡、压力性溃疡、静脉溃疡、烧伤伤口。

为了增强 r&bLED 贴片的治疗效果，同时最大限度地减少对正常组织的损伤，本文通过共同负载蓝光敏感的 TQ 和红光协同的 NADH 开发了一种可喷涂和原位形成的 F-凝胶。LED 贴片和 F-gel 协同对抗微生物感染并促进伤口愈合。通过在小鼠和小型猪的感染性糖尿病伤口模型实验，进一步证明了联合治疗的抗菌、促血管生成和抗炎作用。表明其提供了一种有效治疗慢性伤口的有前途的治疗方法。这种治疗方式对于在家中对慢性糖尿病伤口进行临床干预具有很大的前景，特别是如果开发出能够实时监测感染和愈合进展的原型。

▼参考资料

Li, M., Wang, C., Yu, Q. et al. A wearable and stretchable dual-wavelength LED device for home care of chronic infected wounds. Nat Commun 15, 9380 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53579-6.

*本文仅分享医疗科技前沿进展，不代表平台利益。如涉及版权问题，请联系我们删除。

END

编译 | 刘帅

来源 | Nature Communications

审核 | 医工学人理事会

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