英文原题：Single-Cell Analysis Reveals Cxcl14+ Fibroblast Accumulation in Regenerating Diabetic Wounds Treated by Hydrogel-Delivering Carbon Monoxide
通讯作者：Cheng Zhao (赵程), Liyang Shi (施李杨)
作者：Ya Li （李亚）, Lu Sun （孙璐）, Ranxi Chen （陈染羲）, Wenpeng Ni （倪文鹏）, Yuyun Liang （梁钰昀）, Hexu Zhang （张贺旭）, Chaoyong He （何超永）, Bi Shi （石碧）, Sophie Petropoulos, Cheng Zhao (赵程) *, Liyang Shi (施李杨) *
背景介绍
糖尿病发病率呈逐年快速增长势头，预估2035年全球糖尿病患者将超6亿。慢性难愈合创面（如糖尿病足溃疡）是糖尿病引起的重要并发症之一，会带来巨大社会和经济负担。使用生物材料递送治疗性气体已被证实具有强大的促伤口愈合能力。气体治疗促进的糖尿病创面修复过程涉及多种细胞相互作用，然而，不同细胞的反应性和细胞异质性仍然不明。湖南大学施李杨副教授课题组研发了一种能响应糖尿病创面微环境刺激释放一氧化碳（CO）的水凝胶材料（即CO@HAG），该凝胶展现出良好的促糖尿病创面愈合能力。此外，基于单细胞转录组测序数据，施李杨团队和瑞典卡罗林斯卡医学院(KI)赵程博士合作解析了CO@HAG凝胶促进创面修复的多种细胞生物学事件。
文章亮点
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设计并成功制备了CO释放水凝胶材料（CO@HAG），该水凝胶能响应ROS刺激释放气体, 并且具有抗菌、抗炎等特性，能快速修复糖尿病创面损伤。
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单细胞转录组分析显示CO@HAG凝胶治疗后的糖尿病创面细胞异质性显著改变，有大量Cxcl14+成纤维细胞亚群聚集，且该亚群细胞具有成纤维前体细胞特性。
3
CO@HAG凝胶治疗后的创面巨噬细胞促炎特征显著降低、抗炎特性显著增加，细胞-细胞相互作用分析显示促炎(M1)巨噬细胞和Cxcl14+成纤维细胞之间的TGF-β信号交流减弱。
图文解读
图1. CO@HAG的设计、制备和促糖尿病创面修复。
研究人员通过简单混合巯基化透明质酸分子、银离子和一种CO气体释放分子（Mn2[CO]10）获得了CO释放水凝胶(CO@HAG)（图1a），该水凝胶具光谱抗菌特性（图1b）以及快速清除H2O2（ROS）的能力（图1c）。此外，CO@HAG水凝胶能在H2O2刺激下释放CO气体，显示出响应糖尿病创面微环境的刺激释放能力（图1d）。利用大鼠糖尿病全皮层损伤模型评价该凝胶的体内促修复功能，结果显示相较于未负载CO凝胶（HAG）以及未治疗组（Untreated），所制备的CO@HAG显著加速糖尿病创面愈合（图1e，f）。
图2. 凝胶治疗后糖尿病创面细胞异质性研究。
此外，通过单细胞转录组测序，研究人员对凝胶治疗后的糖尿病创面处的细胞异质性进行了深入研究（图2a）。结果显示，糖尿病创面愈合过程中涉及到约18个不同细胞群的相互作用（图2b），成纤维细胞群和巨噬细胞群所占有的细胞数量最多，提示这两群细胞在修复过程中起主导作用。
图3. CO@HAG治疗后改变创面巨噬细胞炎症特性且促进Fib_SC6（高表达Cxcl14基因）成纤维细胞亚群的聚集
最后研究人员对上述两个大群细胞（巨噬细胞和成纤维细胞）进行深入研究，发现巨噬细胞可进一步分成M0，M1，M2和Spp1+四个亚群（图3a）。和未处理组相比CO@HAG治疗后促炎巨噬细胞亚群（M1）数量下降而抗炎巨噬细胞亚群（M2）数量上升（图3b），并且发现CO@HAG处理后的M1巨噬细胞促炎因子基因表达普遍下调，而M2巨噬细胞抗炎因子基因表达上调（图3c）。对成纤维细胞大群的进一步分析显示，可将其分成8个亚群（Fib_SC1-8）（图3d），其中Fib_SC5和6亚群在CO@HAG治疗后数量显著上升（图3e）。通过通过trajectory, RNA velocity以及Partition-based graph abstraction (PAGA)分析显示Fib_SC6具有明显的成纤维前体细胞特征，证明其在创面修复过程中重要作用（图3f，g）。该群细胞特异性高表达Cxcl14基因，因此研究人员将其命名为“Cxcl14+成纤维细胞”，该亚群细胞在皮肤修复中属首次报道。
总结与展望
本研究制备了一种能够响应伤口微环境释放一氧化碳的水凝胶材料(CO@HAG)，具有自愈性和剪切稀化等独特材料学特性，以及良好的抗菌、抗炎、抗氧化和促进糖尿病创面愈合能力。该气体释放水凝胶能显著改变创面巨噬细胞的炎症特性，并能促进具有前体细胞特征的Cxcl14+成纤维细胞在创面处聚集。本研究为糖尿病伤口的不愈合提供了一种新的气体治疗策略，并对气体治疗后皮肤再生过程中细胞反应和异质性有了新认识。
通讯作者信息
施李杨，湖南大学生物学院副教授，博士生导师。研究方向包括高分子生物材料、组织损伤微环境解析、仿生胞外基质调控细胞行为等。主持国家自然科学基金面上项目、湖南省优青项目、中国科学院先导专项子课题任务、湖南省重点研发计划课题、企业联合项目等数项科研项目。近年来，研究成果以第一作者或通讯作者发表于 ACS Cent. Sci.，Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., ACS Mater. Lett. ，Adv. Healthc. Mater.，Acta Biomaterialia等国际知名期刊。
课题组主页：
https://grzy.hnu.edu.cn/site/index/shiliyang
赵程，博士， 现任瑞典卡罗琳斯卡医学院 （Karolinska Institutet） 研究专员（Research Sepcialist）。2018年博士毕业，博后工作于Karolinska Institutet。致力于人类早期胚胎和干细胞的转录组，small RNA， DNA methylation 在内的单细胞多组学研究。迄今为止以第一作者或通讯作者在Genome Research， PNAS， ACS Cent. Sci.等期刊发表论文10 余篇。
个人主页：
https://ki.se/en/people/cheng-zhao
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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