《International Journal of Biological Macromolecules》：Injectable, self-healing and wound microenvironment responsive hydrogel for photothermal, chemodynamic, and hydrogen sulfide gas synergistic therapy of the infected diabetic wound healing
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糖尿病溃疡的感染治疗中，新型可注射自修复水凝胶（HA-PBA/OAP/FeS@PC）通过整合光热疗法、化学动力疗法和硫化氢气疗协同作用，实现快速杀菌与组织修复，同时动态响应pH、葡萄糖及ROS环境。
作者：徐志|薛翔|罗晓东|杨素瑞|何鹏毅翔|金一乐|张晨|奚俊杰|张超|刘瑞元|吴旭
中国广东省南方医科大学南方医院惠桥医疗中心，510515
摘要
细菌感染的糖尿病伤口是全球医疗保健领域的一个重要问题。未受控制的细菌感染会导致活性氧（ROS）的过量产生、持续的炎症反应和免疫抑制，从而严重阻碍愈合过程。传统的抗生素治疗往往无法应对这些挑战，同时还会增加细菌耐药性的风险。本文开发了一种可注射、具有自愈能力且能响应伤口微环境的水凝胶（HA-PBA/OAP/FeS@PC），该水凝胶具备光热效应、化学动力学疗法和硫化氢气体疗法，能够快速消灭细菌并治疗感染的糖尿病伤口。将藻蓝蛋白功能化的FeS纳米粒子（FeS@PC NPs）引入苯硼酸（PBA）改性的透明质酸（HA-PBA）/氧化芦荟多糖（OAP）Schiff碱双交联水凝胶中。这种HA-PBA/OAP/FeS@PC水凝胶对pH值、葡萄糖和ROS水平具有动态响应性，同时具备优异的可注射性、自愈能力和组织粘附性。此外，在660纳米激光照射下，HA-PBA/OAP/FeS@PC水凝胶通过Fenton反应产生羟基自由基并释放硫化氢，有效杀灭细菌并减轻炎症反应。在糖尿病全层皮肤缺损感染模型中，HA-PBA/OAP/FeS@PC水凝胶通过调节炎症反应、增强胶原基质沉积和促进新生血管形成，显著促进了伤口愈合。总体而言，这项工作提出了一种创新的细菌应对策略，可在感染组织中实现多重抗菌效果，为治疗感染的糖尿病伤口提供了有前景的治疗方法。
引言
糖尿病伤口是糖尿病最常见的并发症之一。这些伤口不仅会引起剧烈疼痛，还会导致较高的死亡率[1]、[2]、[3]。高血糖环境加上免疫功能受损为细菌提供了理想的滋生环境，使糖尿病伤口特别容易发生继发感染[4]、[5]、[6]。细菌的增殖会导致活性氧（ROS）的过量产生，进而引发炎症反应，并形成复杂的伤口微环境，大大复杂化了愈合过程[7]、[8]、[9]。因此，有效管理细菌感染成为治疗糖尿病伤口的关键策略。
抗生素是治疗细菌性糖尿病感染的首选方法[10]、[11]。然而，抗生素的滥用促进了耐药菌的出现，并可能对正常组织产生不良反应[12]、[13]。因此，迫切需要开发新的策略，既能有效抑制细菌增殖，又能重塑伤口微环境，以加速糖尿病伤口的愈合过程。最近，人们探索了多种抗菌策略，如光热疗法（PTT）、化学动力学疗法（CDT）和气体疗法。PTT作为一种外源性抗菌方法，利用光热剂将光能转化为热能，从而破坏细菌膜并使蛋白质变性，实现抗菌效果[14]、[15]、[16]、[17]。这种方法具有应用简便、非侵入性和低耐药性等优点，成为治疗微生物感染的热门替代方案。化学动力学疗法是一种基于Fenton或类似Fenton反应的新型抗菌策略，通常使用铁、锰和铜等过渡金属催化剂，在轻微酸性和高H?O?浓度条件下催化分解H?O?，生成高活性的羟基自由基（·OH）[18]、[19]。过量的·OH会对细菌的DNA、蛋白质和脂质造成不可逆的氧化损伤，从而发挥广谱抗菌作用。基于气体疗法，内源性气体分子（如一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）和硫化氢（H?S）由于分子量小且扩散性强，可以自由穿透细菌细胞和生物膜，在目标部位发挥直接有效的抗菌作用[20]、[21]。鉴于单一抗菌策略的局限性（如治疗效果不足），开发集成多种机制并产生协同效应的纳米平台逐渐成为研究热点。例如，陈等人开发了一种NPM123/Fc纳米平台，实现了光热疗法（PTT）和化学动力学疗法（CDT）的协同作用[22]；孙等人设计了一种PTT/CDT协同作用的FeS@LAB-35@Ti3C2纳米材料[23]；杨等人构建了一种结合PTT、CDT和一氧化氮（NO）疗法的SCM@HA纳米材料[24]。
在这些多功能纳米平台中，硫化亚铁纳米粒子（FeS NPs）通过同时整合PTT、CDT和H?S气体疗法，展现出独特的协同优势。FeS NPs作为有前景的光热剂，可以破坏细菌细胞壁，导致细胞内容物泄漏，最终杀死细菌[25]、[26]。此外，FeS NPs还能通过催化过氧化氢生成高毒性的羟基自由基（·OH），表现出类似纳米酶的活性[27]。这一过程会在细菌中诱导铁死亡（ferroptosis），同时释放硫化氢气体，发挥协同抗菌作用[28]、[29]。值得注意的是，H?S不仅在生理条件下具有抗菌性能，还表现出多层次的生物学效应，包括恢复成纤维细胞功能和促进血管生成[30]、[31]。这些特性大大提升了其在治疗感染糖尿病伤口中的应用价值。
藻蓝蛋白（PC）是一种水溶性藻胆脂蛋白，来源于蓝细菌，以其多种生物活性而闻名，包括抗炎和免疫调节作用、促进血管生成等[32]、[33]、[34]。这些特性使PC有利于改善伤口微环境。此外，PC可以稳定地锚定金属纳米粒子，赋予它们抗炎和免疫调节活性以及促血管生成作用，同时降低其细胞毒性[35]、[36]、[37]、[38]。在之前的研究中，我们用藻蓝蛋白修饰了CuS纳米粒子，制备出CuS@PC纳米粒子，该粒子具有良好的光热效应、低细胞毒性和优异的稳定性[39]。因此，通过将藻蓝蛋白包裹在FeS纳米粒子上合成的FeS@PC纳米粒子，不仅提高了生物相容性，还通过结合光热、化学动力学和气体疗法表现出强大的抗菌效果。
水凝胶的三维交联网络结构使其在各种类型的伤口敷料中具有独特优势，其组成成分在促进伤口愈合中起着关键作用[40]、[41]、[42]。在各种候选材料中，天然多糖（如透明质酸、壳聚糖和普鲁兰）因其出色的生物相容性、保水能力和药物装载潜力而成为水凝胶的首选成分[43]、[44]、[45]。特别是芦荟多糖（AP），来源于药用植物芦荟，由于其独特的生物活性，在水凝胶开发中显示出广阔的应用前景[46]、[47]。这种线性多糖主要由通过β-1,6糖苷键连接的甘露糖和葡萄糖残基组成[48]、[49]。除了赋予水凝胶某些物理性质外，它还具有抗炎作用并促进血管生成，从而有效促进伤口愈合。例如，陈等人开发了一种基于糖硅氧烷/芦荟多糖的凝胶，具有特定的机械性能、轻微的粘附性和优异的生物相容性，适用于小鼠的全层皮肤缺损愈合[50]。张等人开发了一种芦荟多糖/蜂蜜/PVA复合水凝胶，具有优异的机械性能和抗菌特性，有助于加速大鼠感染伤口的愈合[51]。
为了更好地满足治疗不规则伤口的需求，理想的水凝胶敷料应具备可注射性、自愈能力和适当的组织粘附性[52]、[53]、[54]。通过氧化和硼酸酯化修饰多糖，可以引入可逆的共价键（如亚胺键和硼酸酯键）[55]、[56]。这形成了动态的多交联网络结构，赋予水凝胶优异的可注射性、自愈能力和组织粘附性[57]、[58]。值得注意的是，具有动态硼酸酯键的水凝胶可以对pH值、活性氧和葡萄糖作出响应[59]、[60]。这一特性使它们在治疗糖尿病感染伤口时具有特殊优势。例如，周等人开发了一种HAAPBA/GCHCA/TP@Ag水凝胶，能够响应葡萄糖和ROS，有效促进糖尿病大鼠感染伤口的愈合[61]。赵等人开发了一种GOHA-Cur水凝胶，对pH值和葡萄糖敏感，可控制释放姜黄素，有效促进糖尿病大鼠伤口的愈合[62]。
基于以上分析，我们致力于开发一种可注射且具有自愈能力的水凝胶，通过整合光热疗法、化学动力学疗法和气体疗法（图1），有效抑制细菌生长并促进糖尿病伤口愈合。这种水凝胶被命名为HA-PBA/OAP/FeS@PC，是通过苯硼酸（PBA）改性的透明质酸（HA-PBA）和氧化芦荟多糖（OAP）之间的Schiff碱双交联制备的。合成过程包括用藻蓝蛋白修饰FeS纳米粒子形成FeS@PC NPs，用苯硼酸修饰透明质酸形成HA-PBA，以及氧化芦荟多糖得到OAP。最后，将FeS@PC NPs与HA-PBA和OAP混合，制成多孔水凝胶。该水凝胶具有优异的可注射性、自愈能力和对伤口部位的强粘附性。此外，它对糖尿病伤口微环境的关键生化信号（如低pH值、高葡萄糖水平和增强的ROS）具有响应性。FeS@PC NPs的加入赋予水凝胶额外的优势，包括多重抗菌（PTT/CDT/H?S气体疗法）、抗炎活性和促进血管生成作用。总体而言，这些结果突显了该水凝胶作为有效治疗糖尿病感染伤口的治疗平台的巨大潜力。
FeS@PC纳米粒子的合成与表征
将100毫克PC溶解在8毫升去离子水中，然后加入1毫升0.2 M FeCl?·4H?O溶液。在37°C下搅拌3分钟，通过加入1毫升1 M NaOH储备溶液将pH值调整至约11。接着向混合物中加入1毫升0.2 M Na?S·9H?O溶液。在37°C下搅拌3小时后，收集深绿色混合物，并在氮气条件下进行24小时的水透析纯化。对FeS@PC纳米粒子的形态和元素组成进行了表征
FeS@PC纳米粒子的合成与表征
采用绿色且易于操作的蛋白质仿生策略，我们成功合成了FeS@PC纳米粒子（图1A）。首先，Fe2?与PC相互作用形成Fe2?-PC复合物。随后加入氢氧化钠生成Fe(OH)?中间体。强碱性环境导致PC发生构象变化，从其天然的三维折叠结构转变为另一种形态。最后加入Na?S·9H?O，促进FeS@PC纳米粒子的形成
结论
总结来说，我们通过将苯硼酸改性的透明质酸（HA-PBA）与氧化芦荟多糖（OAP）结合，并加入藻蓝蛋白修饰的硫化亚铁纳米粒子（FeS@PC NPs），成功制备了一种多功能水凝胶（HA-PBA/OAP/FeS@PC）。该水凝胶具有优异的可注射性、自愈能力和组织粘附性。此外，它还表现出出色的光热性能，并对酸具有响应性
CRediT作者贡献声明
徐志：撰写原始稿件、方法学设计、数据分析。
薛翔：撰写原始稿件、方法学设计、数据分析。
罗晓东：撰写原始稿件、数据分析。
杨素瑞：实验研究、数据分析。
何鹏毅翔：实验研究、数据分析。
金一乐：实验研究、数据分析。
张晨：实验研究、数据分析。
奚俊杰：实验研究、数据分析。
张超：撰写与编辑、验证、监督、资源协调。
刘瑞元：
伦理批准与参与同意
动物实验获得了南方医科大学动物实验伦理委员会（IACUC-LAC-20250529-002）的批准，并遵循委员会指南进行。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
本工作得到了广东省自然资源厅海洋经济发展专项基金（六大海洋产业）的财政支持（GDNRC [2024]27）。
