《Small》川大刘艳红/王娜：一石二鸟：双金属MOF-纳米酶水凝胶加速感染糖尿病伤口愈合

第一作者：Yun-jie Wei

通讯作者：刘艳红, 王娜

通讯单位：四川大学

研究速览

近期，四川大学刘艳红＆王娜团队以《Kill Two Birds with One Stone: Dual-Metal MOF-Nanozyme-Decorated Hydrogels with ROS-Scavenging, Oxygen-Generating, and Antibacterial Abilities for Accelerating Infected Diabetic Wound Healing》为题在Small发表文章。糖尿病创面在不可控的细菌感染、活性氧(ROS)积累、慢性缺氧等复杂的炎症微环境下容易发展为不愈合创面。血管损伤阻碍代谢循环，加重缺氧和ROS积累，进一步恶化糖尿病创面微环境。然而，现有的单一功能治疗方法难以治愈复杂的糖尿病伤口。因此，制定一种改善糖尿病伤口微环境的综合策略是迫切需要的。本文制备了以仿生金属有机框架（MOF-纳米酶和天然抗菌剂绿原酸（CGA）装饰的多功能基genipin（GP）-交联壳聚糖（CS）水凝胶，命名为 MOF/CGA@GP-CS（MCGC）。由于具有过氧化氢酶(CAT)样活性，这些双金属MOF纳米酶是很有前途的生物反应器，可以通过将升高的内源性H2O2转化为溶解氧，同时缓解糖尿病伤口中ROS的积累和缺氧。此外，天然多酚CGA的另一组分作为温和的抗菌剂，有效地抑制伤口感染，避免抗生素耐药。令人印象深刻的是，MCGC水凝胶通过消除氧化应激、增强氧化和逆转体内细菌感染来加速感染的糖尿病伤口愈合。本研究成功开发了一种基于多功能水凝胶创面敷料的有效策略，并将其应用于糖尿病创面处理。

要点分析

要点一：通过MOF纳米酶与天然抗菌剂CGA的进一步整合，成功开发了一种生物相容性的genipin -交联壳聚糖(CS)水凝胶(MOF/CGA@GP-CS, MCGC)作为基础支架。

要点二：通过GP介导的交联建立具有可注射、可粘附和自愈特性的MCGC水凝胶，促进糖尿病感染伤口的治疗。

要点三：CGA作为一种天然抗菌剂，具有温和有效的抑制细菌增殖和预防耐药性的作用。

图文导读

图1.a) PCN-224(Mn)纳米酶的合成途径方案。b) PCN-224(Mn)的SEM图像。比例尺:500 nm。c) PCN224(Mn)的TEM图像。比例尺:50 nm。d) PCN-224(Mn)的HAADF-STEM元素映射图。比例尺:30 nm。e) PCN224和PCN224(Mn)的PXRD谱图。f) PCN-224和PCN-224(Mn)的FT-IR光谱。g) PCN-224和PCN-224的粒径分布(Mn)。

图2. a) PCN-224(Mn)的XPS测量谱。b) PCN-224(Mn)的XPS C 1s光谱。c) PCN-224(Mn)的XPS Mn 2p谱。d) PCN-224(Mn)的N2吸附/解吸等温线线性图。e) PCN-224的孔隙分布(Mn)。f) PCN-224的累积表面积与孔隙宽度谱(Mn)。

图3.a) CS与GP的交联胶凝过程。b) GP介导交联反应的机理。这种氨基化合物被称为CS。c) GC、CGC、MCGC水凝胶的凝胶时间。d)扫描电镜观察到的GC和MCGC水凝胶的表面、截面和放大后的图像。MOF纳米酶的NPs用伪颜色标记。比例尺:2 μm、20 μm、100 μm。

图4.a) CS和水凝胶的FT-IR光谱。b)水凝胶的保水行为(n = 3)。c)水凝胶的膨胀行为(n = 3)。d) G′/G″与MCGC水凝胶频率的关系。e) G′/G″与MCGC水凝胶菌株的关系。f)极低和极高染色交替施用MCGC水凝胶的G′/G″。g) MCGC水凝胶的自愈行为。h) MCGC水凝胶在手关节上的粘附行为。在研究之前获得了所有人类参与者的知情书面同意。i) GC和MCGC水凝胶的注射性能。所有数据均以均数±标准差(sd)表示。相应数据的统计差异采用双尾Student 's t-test或单因素方差分析。与对照组比较，差异有统计学意义的分别为*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001、n.s.(差异无统计学意义)。

图5. a) CGA介导的MCGC水凝胶的抗菌机制。水凝胶处理后的b) E.coli和c)金黄色葡萄球菌的抗菌生长曲线。水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率(n = 3)。所有数据均以均数±标准差(SDs)表示。相应数据的统计差异采用双尾Student 's t-test或单因素方差分析。与对照组比较，差异有统计学意义的分别为*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001、n.s.(差异无统计学意义)。

图6.a)经水凝胶处理的琼脂板。稀释倍数:103。b)经或未经MCGC水凝胶处理的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的SEM图像。比例尺:1 μm。c)经或不经MCGC水凝胶处理的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌成熟生物膜的活膜/死膜染色。标尺:40 μm。

图7：a) PCN-224(Mn) MOF纳米酶的CAT样机制示意图。b) GC、CGC和MCGC水凝胶对H2O2的清除率(n = 3)。c) GC、CGC和MCGC水凝胶的溶血率(n = 3)。梯度浓度MCGC水凝胶处理的HUVEC细胞存活率(d) L929, e) NIH-3T3和f) HUVEC细胞存活率(n = 5)。部分误差条小于标记。所有数据均以均数±标准差(sd)表示。相应数据的统计差异采用双尾Student 's t-test或单因素方差分析。与对照组比较，差异有统计学意义的分别为*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001、n.s.(差异无统计学意义)。

图8：a) MOF纳米酶和水凝胶的体外ROS清除性能。标尺:20 μm。b) MOF纳米酶和水凝胶对线粒体的体外修复。标尺:20 μm。

图9：a)水凝胶对糖尿病感染伤口的治疗工艺方案。b)使用或不使用GC和MCGC水凝胶处理的伤口愈合轨迹。c)使用或不使用GC和MCGC水凝胶处理的伤口区域(n = 5)。d)使用或不使用GC和MCGC水凝胶处理的小鼠主要器官的HE染色。所有数据均以均数±标准差(sd)表示。相应数据的统计差异采用双尾Student 's t-test或单因素方差分析。与对照组比较，差异有统计学意义的分别为*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001、n.s.(差异无统计学意义)

图10：a)用或不用GC和MCGC水凝胶处理的小鼠皮肤组织的HE染色。b)使用或不使用GC和MCGC水凝胶处理的小鼠皮肤组织的Masson染色。标尺:50 μm或200 μm。

图11：a)空白组、对照组、GC组、MCGC组中IL-1β、IL-6、TNF-α的表达情况。比例尺:4 μm。空白组、对照组、GC组和MCGC组中b) IL-1β、c) IL-6、d) TNF-α的阳性染色面积的定量百分比(n = 3)。所有数据均以均数±标准差(sd)表示。相应数据的统计差异采用双尾Student 's t-test或单因素方差分析。与对照组比较，差异有统计学意义的分别为*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001、n.s.(差异无统计学意义)。

结论

总之，作者构建的MCGC水凝胶可同时促进ROS清除、氧气生成和抗菌活性，加速糖尿病感染伤口的愈合。基于CS的水凝胶网络由生物相容GP交联，使CGA和PCN-224(Mn)MOF纳米酶得以均匀整合。MCGC水凝胶含水量高，具有类似于ECM的流变特性，可注射、粘合和自愈合，可定制个性化伤口敷料。CGA介导的抗菌活性通过改变细菌细胞膜的通透性有效抑制了细菌的增殖，进一步证明了其消除成熟生物膜的能力。值得注意的是，MCGC水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别为99.91% 和99.97%。此外，类CAT MOF纳米酶还能促进H2O2的分解，同时清除过量的ROS并在原位产生氧气，从而促进伤口愈合。高度稳定的Zr6簇和仿生Mn-N4活性位点的双金属引入增强了MOF纳米酶的稳健性和催化性能。整合了MOF纳米酶的MCGC水凝胶具有出色的清除ROS活性，可恢复遭受严重氧化应激的成纤维细胞的线粒体功能。此外，MCGC水凝胶还具有令人满意的细胞相容性和血液相容性，有望应用于临床。在体内糖尿病感染伤口小鼠模型中，MCGC水凝胶为CGA和MOF纳米酶作为综合伤口敷料发挥良好功能提供了基本支架。最终，MCGC水凝胶明显加速了体内感染性糖尿病伤口的愈合，促进了伤口闭合，改善了胶原沉积，缓解了炎症。总之，MCGC水凝胶可用于治疗糖尿病感染性伤口，作为一种非侵入性、非药物性敷料，为潜在的临床伤口管理提供了一种有效的生物相容性策略。

全文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202403679

参考文献：Y.-J. Wei, H. Chen, Z.-W. Zhou, C.-X. Liu, C.-X. Cai, J. Li, X.-Q. Yu, J. Zhang, Y.-H. Liu, N. Wang, Kill Two Birds with One Stone: Dual-Metal MOF-Nanozyme-Decorated Hydrogels with ROS-Scavenging, Oxygen-Generating, and Antibacterial Abilities for Accelerating Infected Diabetic Wound Healing. Small 2024, 2403679.

DOI: 10.1002/smll.202403679