西工大張秋禹團隊Nano Lett.：納米酶增強可注射水凝膠治療多藥耐藥菌感染的糖尿病創面

【研究背景】

糖尿病患者傷口愈合受損在全世界范圍內導致了顯著的發病率和死亡率。可注射自愈水凝膠具有高耐用性和微創植入程序，理想地滿足了細胞遷移和增殖的生物學和分子事件的整合要求，為促進傷口愈合提供了有希望的選擇。然而，由于自身恢復能力的高度有限性和對多藥耐藥（MDR）細菌感染的脆弱性，目前大多數基于水凝膠的傷口愈合在糖尿病患者中常常受到損害。除了細菌感染外，惡劣的高血糖和氧化微環境進一步阻礙了糖尿病皮膚創面的恢復。在糖尿病的情況下，包括中性粒細胞在內的免疫細胞產生更多的活性氧（ROS），導致糖尿病器官損傷、疤痕延長或傷口不愈合。此外，高血糖可導致血管收縮，抑制血管生成，從而通過阻斷氧氣供應阻礙愈合過程。

【成果簡介】

近日，西北工業大學張秋禹團隊開發了一種可注射、自愈和粘附的水凝膠（FEMI），用于加速MDR感染的糖尿病傷口重塑。利用EPL包覆MnO₂納米片（EM）與胰島素包封醛Pluronic F127（FCHO）膠束的席夫反應制備了多功能水凝膠。其具有快速凝膠化行為和穩定的流變性能，同時，通過正電荷的EPL和“納米刀狀”MnO₂納米片的協同作用，也表現出非凡的抗菌能力。FEMI水凝膠還表現出良好的止血性能，這是由于其快速凝膠化和良好的組織粘附性，如肝臟出血模型所示。最重要的是，得益于納米酶MnO₂納米片的高催化效率，FEMI水凝膠通過催化內源性H₂O₂分解為O₂來緩解氧化應激。同時，由于酸性和氧化性糖尿病的皮膚環境，該pH和氧化還原雙響應FEMI水凝膠實現了胰島素的持續和時空控制釋放。通過同時消除MRSA感染、降低高血糖、改善氧化應激和持續提供氧氣，FEMI水凝膠為減輕炎癥、加速細胞增殖、促進血管化、促進肉芽組織形成和再上皮化提供了有益的微環境，在體內顯示出顯著的加速糖尿病傷口愈合。該文章近日以題為“Nanoenzyme-Reinforced Injectable Hydrogel for Healing Diabetic Wounds Infected with Multidrug Resistant Bacteria”發表在知名期刊Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖一、FEMI水凝膠對感染多藥耐藥細菌的糖尿病創口愈合的示意圖

（a）利用EM與胰島素負載FCHO膠束的可逆Schiff反應制備的FEMI水凝膠。

（b）FEMI水凝膠可以通過分解大量的ROS（H₂O₂）轉化為O₂來保護成纖維細胞免受氧化應激。

（c）正電荷的EPL與鋒利的納米刀狀MnO₂納米片協同抗菌。

（d）FEMI水凝膠促進止血，消除MDR感染，消耗大量有害ROS，改善永久性炎癥微環境，促進創面愈合示意圖。

圖二、pH和氧化還原響應FEM水凝膠的合成與表征

（a）MnO₂納米片的典型TEM圖像。

（b）在pH 7.4的水溶液中測定了EPL、MnO₂納米片、EM納米片的Zeta電位。

（c）FCHO的核磁氫譜。

（d）F127、F127-SO3、FCHO、MnO₂納米片（NS）、EPL、EM和FEMI的FTIR光譜。

（e）FEMI水凝膠的典型SEM圖像，顯示了明顯的三維多孔結構。

（f）FEMI水凝膠的SEM放大圖像和EDS元素映射。

（g）EDS測定了FEMI水凝膠中Mn離子的含量。

（h）FEM-4水凝膠的儲能模量（G′）和損耗模量（G〃）。插圖：FEM-4水凝膠的溶膠-凝膠轉變照片。

（i）通過對FEM-4水凝膠在37℃下進行3次1%～1000%剪切應變的G′和G〃循環試驗，評價了FEM-4水凝膠的力學性能。

（j）通過搭接剪切試驗評價了FEM水凝膠對皮膚組織的粘附強度。

（k）剪切速率為0.1～100 s^-1的FEM水凝膠的粘度。插圖：FEM水凝膠通過針注射的照片。

圖三、通過減輕氧化應激和產生氧氣，提高成纖維細胞的存活和增殖。

（a）FEM水凝膠中MnO₂納米片催化氧化應激生成O₂示意圖。

（b）通過測量H₂O₂指示劑[Ti(SO₄)₂]溶液的紫外-可見吸收光譜，評價了MnO₂納米片對H₂O₂的劑量依賴性消除作用。

（c）應用不同納米MnO₂水凝膠后溶液中殘留H₂O₂的定量分析。

（d）用商用氧氣計記錄的的氧氣生成。插圖：生成的O₂氣泡的代表性照片。

（e）用ROS探針（DCFH-DA）監測不同處理對L929細胞氧化應激的緩解作用。

（f）用氧探針Ru(dpp)₃Cl₂對L929細胞進行不同處理后的細胞內O2生成實驗進行了驗證。

（g-h）通過計算L929細胞的熒光強度，分析了細胞內ROS消耗和O₂生成的定量研究。

（i）pH和氧化還原雙反應胰島素釋放動力學。

（j-k）成纖維細胞體外活/死染色（j）和細胞存活情況（k）。

圖四、FEM水凝膠的抗菌性能和止血性能

（a-b）不同EM含量FEM水凝膠抗菌活性分析。

（c）不同處理后MRSA細胞的代表性SEM圖像。

（d）FEM水凝膠在糖尿病小鼠肝出血模型中止血能力示意圖。

（e）對照組（未治療）、美羅賽、FCHO和FEM水凝膠治療的受損肝臟的總失血量。

（f）在0、5、15、30、60秒的特定時間進行上述處理的肝臟代表性照片。

圖五、FEMI水凝膠通過構建有益的微環境促進糖尿病創面愈合

（a）手術過程的時間線，基于FEMI水凝膠的抗菌行為，和加速傷口閉合性能的示意圖。

（b）對照組、抗生素氨芐西林、FCHO、FEM和FEMI水凝膠處理的小鼠傷口愈合過程的圖像。

（c）每次治療14天內傷口愈合的痕跡。

（d）五組不同時間點的體內傷口閉合率。

（e）五組糖尿病小鼠不同時間點血糖的變化。

（f）用ROS探針（DHE，DHE）監測不同處理后創面的ROS水平。

（g）氧化DHE熒光強度直方圖顯示FEM和FEMI水凝膠中ROS的有效消耗。

（h）第3、7、14天5種不同處理創面再生的組織形態學評價。

（i）第7天各組表皮厚度。

（j）第7天和第14天再生血管。

（k）第14天各組毛囊大小對比。

【結論展望】

綜上所述，作者設計并驗證了一種具有可注射性、粘附性、自愈性、抗氧化性和抗菌性的FEMI水凝膠，可有效促進多藥耐藥菌感染的糖尿病傷口愈合。通過引入2D-EM納米填料與聚合物基體相互作用，制備了凝膠化速度快、流變性能穩定的水凝膠。通過將帶正電荷的EPL和納米刀狀MnO₂納米片協同結合，FEMI水凝膠在體外和體內對MDR細菌都表現出了非凡的抗菌能力。此外，FEMI水凝膠在小鼠肝損傷模型中也表現出良好的止血效果。在糖尿病創面不同的酸性和氧化性微環境下，FEMI水凝膠通過將內源性H₂O₂轉化為O₂，同時釋放胰島素來調節血糖水平，從而有效緩解氧化應激。FEMI水凝膠將清除多藥耐藥菌、降低高血糖、改善氧化應激和持續產氧整合在一個平臺上，協同減少炎癥反應、刺激血管生成、加速細胞增殖、促進肉芽組織形成和ECM沉積，在促進糖尿病皮膚重建方面具有重要的應用前景。據報道，這是首次通過全面構建具有指導意義的皮膚微環境，構建多功能水凝膠促進多藥耐藥糖尿病創面愈合的研究。總之，FEMI水凝膠顯示了一個多功能的策略，以再生糖尿病患者的廣泛受損組織，這些組織遭受細菌侵襲和高度氧化病變的微環境。

文獻鏈接：Nanoenzyme-Reinforced Injectable Hydrogel for Healing Diabetic Wounds Infected with Multidrug Resistant Bacteria (Nano Lett., 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01371)

課題組簡介：

張秋禹，“長江學者”特聘教授，博士生導師，西北工業大學應用化學研究所所長，中國化學會會員，陜西省化學會理事，中國材料研究學會高分子材料與工程分會委員，陜西省環境學會理事，中國顆粒學會理事等。《高分子材料》、《化學工程》、《粘接》等期刊編委。張秋禹教授曾獲全國巾幗建功標兵、教育部新世紀優秀人才獎勵計劃、陜西省科技獎一等獎、二等獎三項、陜西省青年科技獎、教育部霍英東青年教授教學獎等獎勵。主要研究方向為多孔聚合物材料、微納米有機/無機材料雜化材料，仿生智能與功能性高分子材料等。研制了多種高效分離的多孔有機材料、具有電磁響應性的微納米高分子雜化材料、自修復高分子復合材料。課題組迄今已在J.Mater.Chem. A, Appl. Catal. B, ACS AMI, Macromolecules等國際知名期刊發表論文200余篇。

本文由大兵哥供稿。

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