《Bioactive Materials》时空响应性杂化水凝胶，具有多重耐药菌感染创面的序贯治疗与可视化监测

第一作者：Gang Zhao、Junyan Zhang（共同第一作者）

通讯作者：Xin Chen、Yanfei Mao

通讯单位：上海交通大学医学院附属新华医院麻醉与重症医学科、上海交通大学医学院附属松江医院急诊与危重症科等

研究速览

感染性创面是持续的临床挑战，而抗生素耐药病原体的日益流行进一步加剧了治疗难度。针对多重耐药菌（MDR）感染亟需开发集感染控制、免疫调节、组织再生和实时治疗监测于一体的下一代治疗平台。近期，上海交通大学医学院等团队在国际期刊《Bioactive Materials》发表研究成果，通过多级分子工程策略设计了一种A-π-D-π-A型杂化光敏剂（TPAB-Cu²⁺），兼具高效光动力抗菌活性和对感染微环境的荧光响应性。进一步将天然大黄素（emodin）和改性透明质酸（mHA）通过动态席夫碱交联，构建了时空响应性杂化水凝胶（EM@mHA-TPAB-Cu²⁺）。在光照下，水凝胶产生大量活性氧（ROS），高效杀灭MDR细菌并破坏成熟生物膜。随后，持续释放的大黄素清除过量ROS、重塑免疫微环境，促进从炎症向细胞增殖和组织重塑的转变。体内研究证实，该智能水凝胶有效清除MDR细菌、缓解炎症、加速组织再生，并通过H₂S响应的荧光实时监测治疗过程。该水凝胶敷料集治疗与监测于一体，为感染创面的高级管理提供了新策略。

要点分析

要点一：MDR感染创面治疗面临多重挑战：抗生素滥用导致MRSA等MDR细菌出现，其生物膜屏障和缺氧微环境进一步限制药物渗透。光动力疗法（PDT）有前景但受限于缺氧，且创面愈合涉及炎症、增殖等多个阶段，单一功能材料难以满足序贯治疗需求。

要点二：设计A-π-D-π-A杂化光敏剂实现高效PDT和H₂S响应成像：合成的TPAB具有典型给体-受体结构，与Cu²⁺配位后形成TPAB-Cu²⁺。DFT计算和ESR证实其促进I型PDT途径，在常氧和低氧下均高效生成O₂⁻、·OH和¹O₂。同时，TPAB-Cu²⁺对感染微环境中过表达的H₂S高度敏感，反应后荧光恢复（量子产率0.95），检测限48 nM，选择性优于其他生物硫醇，可实现治疗过程的实时荧光监测。

要点三：水凝胶的时空响应性设计实现序贯治疗：通过席夫碱反应将TPAB-Cu²⁺接枝到氧化透明质酸（mHA）上，并利用氢键负载大黄素（EM），形成可注射、自愈合、粘附性的水凝胶（EM@mHA-TPAB-Cu²⁺）。在酸性感染微环境下，EM释放加速（2 h释放约60%）。光照第一阶段，光敏剂产生ROS杀灭MRSA、ESBL-E. coli等MDR细菌（杀菌率>98%），并破坏成熟生物膜（EPS减少>80%）；第二阶段，释放的EM清除过量ROS（ABTS和DPPH自由基清除能力显著），并诱导巨噬细胞从M1向M2表型极化（CD86⁺细胞从40.6%降至18.9%，CD206⁺细胞从6.9%升至22.3%），下调IL-17、JAK-STAT和TNF-α等炎症通路，促进组织再生。

要点四：体内外全面验证抗菌、免疫调节、促愈合和成像性能：在MRSA感染的全层皮肤缺损小鼠模型中，EM@mHA-TPAB-Cu²⁺+激光组21天伤口闭合率达92.9%，显著优于对照。组织学分析显示，该组再上皮化（CK14⁺）、血管生成（α-SMA⁺）、胶原沉积（Col I/III）和毛囊新生均最佳。同时，H₂S响应的荧光成像强度与伤口渗出液中H₂S浓度呈强相关性，可无创动态监测治疗进程。主要器官H&E染色无异常，表明良好生物安全性。

图文导读

方案1. TPAB-Cu²⁺分子和EM@mHA-TPAB-Cu²⁺杂化水凝胶用于感染创面愈合的设计原理与合成。a) TPAB-Cu²⁺的合成路线。b) TPAB-Cu²⁺在光照下的光动力疗法（PDT）机制，产生细胞毒性ROS，包括O₂⁻、·OH和¹O₂。c) TPAB-Cu²⁺响应内源性H₂S信号分子的荧光检测机制。d) 时空响应性杂化水凝胶的制备过程。e) 具有光动力、免疫调节和H₂S激活成像功能的时空响应性杂化水凝胶用于治疗和监测MDR细菌感染创面的示意图。

图1. TPAB-Cu²⁺杂化分子的分子结构与光物理表征。a, TPAB分子合成过程的¹H NMR谱图。b, Cu²⁺与TPAB在不同摩尔比下络合过程中的分子结构演变。c, Job曲线，显示Cu²⁺与TPAB的结合化学计量比为2:1。d, DFT计算的TPAB和TPAB-Cu²⁺的HOMO和LUMO能级。e, 400 nm激光照射下TPAB-Cu²⁺产生ROS的ESR信号。f, TPAB-Cu²⁺对H₂S响应的荧光强度变化。g, 相对荧光强度（F/F₀）与H₂S浓度的线性关系。h, 基于Benesi-Hildebrand方程计算TPAB-Cu²⁺与H₂S的结合常数。i, TPAB-Cu²⁺荧光探针对H₂S响应的可逆性。j, 竞争性离子对TPAB-Cu²⁺响应H₂S荧光强度的影响。

图2. EM@mHA-TPAB-Cu²⁺杂化水凝胶的结构表征。a, EM@mHA-TPAB-Cu²⁺水凝胶形成的宏观观察。通过TPAB与mHA之间的席夫碱共价键形成3D交联网络。b, 杂化水凝胶自愈合过程的代表性照片。c, EM@mHA-TPAB-Cu²⁺的粘附和可变形性。d, mHA、EM@mHA和EM@mHA-TPAB-Cu²⁺在应变范围0.01-10%的流变学性质。e, EM、mHA、EM@mHA、EM@mHA-TPAB-Cu²⁺的FTIR光谱。f, EM@mHA-TPAB-Cu²⁺的SEM图像，显示高度多孔的微观结构。g, 杂化水凝胶的EDS元素分布图，分别为C、O、N和Cu元素。h, 不同pH下杂化水凝胶的EM累积释放曲线。i,j, mHA、EM@mHA和EM@mHA-TPAB-Cu²⁺对ABTS和DPPH自由基的时间依赖性清除曲线。

图3. 杂化水凝胶的生物相容性。a,b, L929细胞和HUVECs与PBS（对照）、mHA、EM@mHA和EM@mHA-TPAB-Cu²⁺共培养1、3、5天的活/死染色图像。c,d, CCK8法量化L929细胞和HUVECs的细胞活力。e, L929细胞划痕实验显微图，显示细胞迁移。f, 划痕实验结果的定量直方图。g, L929细胞的免疫荧光图像：Col I（绿色）、F-肌动蛋白（红色）和细胞核（蓝色）。h, Col I表达的荧光定量。i, 杂化水凝胶的溶血实验评估血液相容性。统计显著性：p < 0.05；p < 0.01；p < 0.001；****p < 0.0001。

图4. EM@mHA-TPAB-Cu²⁺杂化水凝胶的体外抗菌性能。a,b, MRSA和ESBL-E. coli经PBS、mHA、EM@mHA、EM@mHA-TPAB-Cu²⁺和EM@mHA-TPAB-Cu²⁺+激光（400 nm, 0.05 W cm⁻², 5 min）处理后的细菌菌落、活/死染色和SEM图像。c,d, MRSA的菌落计数和活/死染色定量分析。e,f, ESBL-E. coli的菌落计数和活/死染色定量分析。g, 不同组别（有/无激光照射）处理后MRSA内DCFH-DA指示的ROS水平。h, 各激光处理组ROS水平的荧光定量。i, 杂化水凝胶的光动力抗菌机制示意图。

图5. EM@mHA-TPAB-Cu²⁺杂化水凝胶的体外抗生物膜活性。a, MRSA成熟生物膜经不同处理后的3D CLSM图像（Syto-9和PI染色）。b,c, 相应的荧光定量分析。d,e, 不同组别MRSA未成熟生物膜的活菌计数和琼脂板照片。组别：对照；mHA；EM@mHA；EM@mHA-TPAB-Cu²⁺；EM@mHA-TPAB-Cu²⁺+激光。

图6. EM@mHA-TPAB-Cu²⁺杂化水凝胶诱导的体外巨噬细胞极化。a,b, 不同处理后RAW264.7巨噬细胞中CD86（M1标志物，红色）和CD206（M2标志物，绿色）的免疫荧光染色。细胞核用DAPI（蓝色）复染。c, RAW264.7巨噬细胞中CD86和CD206蛋白表达的Western blot结果。d,e, RAW264.7巨噬细胞中CD86和CD206的RT-qPCR分析。f,g, RAW264.7巨噬细胞上清液中TNF-α和IL-6细胞因子的ELISA分析。h, RAW264.7巨噬细胞中CD86和CD206表达的流式细胞术分析。组别：①对照；②LPS；③LPS + mHA；④LPS + EM@mHA；⑤LPS + EM@mHA-Cu²⁺。

图7. 转录组学分析揭示杂化水凝胶的免疫调节机制。a, PBS对照组与EM@mHA-TPAB-Cu²⁺处理组之间差异表达基因（DEGs）的火山图。b, DEGs的热图。c, DEGs的GO富集分析。d, DEGs的KEGG通路富集分析。e-g, IL-17、JAK-STAT和TNF-α信号通路中代表性差异表达基因的表达水平热图。

图8. EM@mHA-TPAB-Cu²⁺杂化水凝胶对MRSA感染创面的体内治疗与监测。a, 体内实验流程示意图。b, 各组在第0、3、5、7、10、14、21天的代表性伤口照片。c, 伤口闭合率定量分析（n=3）。d,e, 第3天和第7天伤口组织中M1（CD68/iNOS）和M2（CD68/Arg1）巨噬细胞的免疫荧光染色。f,g, 不同组别在第3天和第7天伤口组织中TNF-α和IL-10表达的ELISA分析。h, 感染和未感染伤口在0、3、5、7天的体内IVIS荧光成像。i, ROI荧光强度定量与伤口渗出液中H₂S浓度的相关性分析。

图9. 组织学分析证实EM@mHA-TPAB-Cu²⁺杂化水凝胶加速MRSA感染创面的组织再生。a, 伤口样本的H&E染色图像。b, CK14的免疫荧光染色。c, 不同处理组不同时间点α-SMA的免疫荧光染色。d, 代表性Masson染色图像显示胶原沉积。e,f, Col I和Col III分布的免疫荧光染色图像。g, CK14阳性面积的定量分析。h, 各组α-SMA密度的定量分析。i, Masson染色中获得的新生毛囊数量。

结论

本研究开发了一种时空响应性杂化水凝胶敷料，将高效光动力抗菌、免疫调节、组织再生和实时荧光监测集成于单一平台，用于MDR细菌感染创面的序贯治疗。通过多级分子工程策略，将双功能杂化光敏剂共价接枝到改性透明质酸上，并通过氢键整合天然大黄素。在激光照射下，共轭光敏剂高效产生三种ROS，实现广谱抗菌和破坏成熟生物膜；随后，水凝胶中持续释放的大黄素清除过量ROS，促进巨噬细胞从促炎M1表型向抗炎M2表型极化，从而促进组织再生。体内研究证实，该生物相容性水凝胶敷料不仅能清除MDR病原体和调节免疫微环境，还能显著增强组织再生。重要的是，杂化光敏剂对内源性H₂S信号具有高选择性和灵敏度，使水凝胶具备无创实时荧光成像能力，可动态监测治疗过程。该工作提供了一个集序贯治疗和可视化创面监测于一体的多功能时空响应性水凝胶平台，在MDR细菌感染的临床管理中具有重要前景。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2026.04.016