细胞的代谢过程，尤其是葡萄糖代谢，对于细胞功能（如组织重建能力）至关重要。然而，在缺血缺氧的条件下，细胞内葡萄糖不能有效地转化为能量。为了解决这一问题，研究者开发了一种高能中间体果糖水凝胶（high-energy intermediate fructose hydrogel，HIFH），它通过调节葡萄糖代谢来提高细胞内的能量转换效率。

2023年12月，上海交通大学医学院附属第九人民医院张余光、上海交通大学医学院崔文国、上海交通大学孙小明联合发表在Small发表的题为 “Regulation of Glucose Metabolism for Cell Energy Supply In Situ via High-Energy Intermediate Fructose Hydrogels ”（IF：13.3）的研究成果，通过（LC-MS&GC-MS）非靶向代谢组学研究了一种高能中间体果糖水凝胶，用于在细胞层面上调节葡萄糖代谢，以提高细胞能量供应，特别是在缺血缺氧条件下的细胞。欧易生物质谱平台提供LC-MS&GC-MS双平台代谢组学服务。

发表期刊：Small

影响因子：13.3

材料：

对照组 (Control Group)：正常培养的人脐静脉内皮细胞（HUVEC），在高葡萄糖DMEM培养基中，含有10%的胎牛血清（FBS）。

FBP处理组 (FBP Group)：HUVEC细胞被转移到低葡萄糖DMEM培养基中，不含FBS，并在无氧孵化器中模拟缺血缺氧的微环境。该组额外补充了10 mM的果糖-1,6-二磷酸（FBP）。

BSA Gel组：使用牛血清白蛋白（BSA）制备的蛋白水凝胶，模拟细胞外基质（ECM）。

HIFH组：利用硫醇功能化的牛血清白蛋白（BSA-SH）、高能中间体FBP和铜离子（Cu2+）动态配位构建的HIFH。

主要技术方法：非靶向代谢组学分析、蛋白印迹（Western Blot）、傅里叶变换红外光谱、体外细胞功能实验、细胞迁移实验、体外血管生成实验、血管生成因子分泌检测、组织学分析

其中LC-MS&GC-MS双平台代谢组学由欧易生物提供技术支持

为研发一种通过调节葡萄糖代谢对受损组织细胞提供原位能量的HIFH。作者使用代谢组学评估了在模拟缺血缺氧微环境下，添加FBP后缺血和缺氧条件下细胞的代谢物变化。在FBP组中，与细胞葡萄糖代谢相关的多种产物（包括ATP和谷胱甘肽）显著增加（图1 B-E）。富集分析发现中心碳代谢途径、ABC转运体和谷胱甘肽代谢途径等显著富集，表明FBP对缺血缺氧条件下的HUVEC代谢有显著影响，并促进了抗氧化能力和细胞能量产生的能力（图1 F）。

 图1 FBP的缺血和缺氧细胞的代谢组学分析

研究者进一步通过Western Blot检测了PI3K-AKT-mTOR信号通路的磷酸化水平，该通路可促进细胞增殖、存活、迁移和代谢重编程。在FBP处理的细胞中，PI3K-AKT-mTOR通路的磷酸化显著上调（图1 G）。研究假设FBP可以通过控制葡萄糖代谢来改善细胞的能量供应，并可能增强缺血缺氧组织中细胞的功能，为创建HIFH提供了良好的前提。

2. HIFH特性

通过与HIFH共培养，HUVEC在缺血和缺氧条件下活性显著提升。HIFH明显提升了细胞生存率、能量供应、抗氧化能力以及促进细胞迁移、血管生成和细胞因子分泌等方面（图2A）。这些特性表明HIFH在体外对受损组织的修复和再生有显著的改善能力，能够通过提供高能中间体和增强葡萄糖代谢来为受损组织中的细胞提供能量，同时具备良好的生物相容性和自愈合特性。这些特性使得HIFH在再生医学和组织工程领域具有广泛的应用前景。

图2 体外细胞实验

3. HIFH促进缺血软组织再生

接下来对HIFH对缺血软组织的再生促进作用进行探讨。通过建立大鼠缺血皮肤组织模型（图3 A-B），发现HIFH组通过提供高能中间体FBP，改善了受损组织细胞的葡萄糖代谢，促进了细胞增值（图4）和缺血软组织的再生（图5），减少了ROS的产生，有效减少受损组织中的氧化应激（图6），并显著增加了受损组织的愈合面积，组织愈合水平较高（图3 C-D），为治疗缺血性组织损伤提供了一种潜在的新策略。

图3 小鼠模型实验

图4 KI67的免疫荧光染色

图5 新生血管的免疫荧光染色

图6 ROS的免疫荧光染色

HIFH作为一种新型生物材料，通过提供高能中间体FBP和增强葡萄糖代谢，有效提升了受损组织细胞的能量供应，促进了细胞功能和组织修复。突出了HIFH在细胞能量代谢和组织修复中的积极作用，以及其在未来临床应用中的潜力。

原文链接：

Doi: 10.1002/smll.202309060