葡萄糖触发的自持续催化级联反应在GOx@CuO纳米反应器中用于治疗细菌感染的糖尿病伤口

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Glucose-triggered self-perpetuating catalytic cascade in GOx@CuO 2 nanoreactors for treating bacteria-infected diabetic wounds

糖尿病伤口微环境调控纳米反应器开发及机制研究。通过GOx@CuO?纳米反应器利用葡萄糖自驱动实现三重治疗：酸性环境下激活POD-like活性杀菌并产H?O?，随pH升高自动切换CAT-like模式分解H?O?产O?促进血管生成，体内实验显示14天伤口闭合率达93.4%。

　　

王军|黄毅|曹燕|朱文娇|陈玉辉|陈燕|张园园|崔建峰|王元香|兰凯|林艳霞

深圳前海蛇口自贸区医院康复医学科，中国深圳市518067

摘要

糖尿病伤口的高血糖微环境极易发生细菌感染、持续炎症和血管生成受损，严重延缓愈合过程。为了克服现有治疗策略的局限性，本研究创新性地开发了一种智能级联纳米反应器GOx@CuO₂，该反应器利用过量的葡萄糖（Glu）作为驱动力。该系统的关键创新在于它能够利用病变部位的过量葡萄糖。在葡萄糖氧化酶（GOx）的催化下，葡萄糖被转化为葡萄糖酸和过氧化氢（H₂O₂），从而同时实现葡萄糖的消耗、酸的产生和H₂O₂的供应，从而调节微环境。在酸性条件下，GOx@CuO₂表现出类似过氧化物酶（POD）的活性，生成羟基自由基（·OH），发挥强烈的抗菌作用。随着葡萄糖逐渐被消耗，pH值升高，GOx@CuO₂会智能地切换到类似过氧化氢酶（CAT）的模式，将剩余的H₂O₂分解为氧气（O₂）。这有助于减轻氧化应激并促进血管生成，形成一个“抗菌促进愈合”的适应性协同治疗循环。体内实验证实，这种纳米反应器显著改善了伤口微环境，在14天内实现了93.4%的伤口闭合率。本研究不仅提出了一种针对病变微环境的新型非抗生素治疗策略，还为设计用于代谢性疾病相关组织修复的智能酶催化系统提供了新的见解。

引言

糖尿病伤口（DW）由于其高发病率和难以愈合的特点，已成为一个主要的临床挑战[1]、[2]。DW的愈合障碍与高血糖引起的多种病理机制密切相关。首先，持续的高血糖环境为细菌繁殖提供了丰富的营养，使细菌能够迅速繁殖并形成生物膜，从而严重阻碍伤口愈合过程。在严重情况下，患者可能面临截肢的风险[3]、[4]、[5]；此外，高血糖通过晚期糖基化终产物（AGEs）的积累引发氧化应激级联反应，导致持续炎症，阻碍伤口进入增殖和重塑阶段[6]；同时，高血糖引起的病理微环境进一步损害血管生成，血管生成受损导致组织缺氧，进而抑制细胞增殖和迁移以及胶原蛋白沉积[7]、[8]。因此，涉及严重细菌感染、炎症和高血糖引起的血管生成受损的复杂病理机制使得现有的临床治疗策略显得不足。虽然抗生素治疗可以部分控制细菌生长，但其过度使用可能会促进耐药菌株的发展，显著增加治疗难度[9]。同样，高压氧（O₂）治疗需要较长的治疗时间，并且无法有效解决微生物感染[10]。因此，开发能够调节DW微环境的新材料具有重要的科学和临床价值。

近年来，纳米酶材料由于其高稳定性、良好的生物安全性、可调的催化性能和高效的级联酶催化能力，在伤口愈合领域显示出巨大的应用潜力[11]、[12]。利用酶催化反应，纳米酶可以在DW中实现多种治疗功能，如葡萄糖（Glu）的还原、抗菌和抗氧化。例如，过氧化物酶（POD）可以催化活性氧物种（ROS）的原位生成，导致细菌细胞膜和细胞壁的不可逆氧化损伤。这代表了一种新型的独立于抗生素的抗菌策略[13]、[14]。然而，POD的催化效率高度依赖于酸性条件和过氧化氢（H₂O₂的存在。受细菌感染的DW通常呈弱碱性[15]，这严重限制了其实际应用。为了解决这个问题，引入葡萄糖氧化酶（GOx）变得至关重要。GOx催化葡萄糖氧化生成H₂O₂和葡萄糖酸[16]。这一过程不仅降低了局部葡萄糖水平，从而削弱了细菌的能量供应，同时提供了POD催化所需的酸性条件和H₂O₂。目前，基于GOx和POD的级联系统已在治疗细菌感染的DW中显示出血糖控制和抗菌的双重治疗效果[17]、[18]、[19]。例如，Tan等人[20]将GOx和铁烯共载到水凝胶中。利用GOx催化产生的酸性环境和（H₂O₂），激活了铁烯的类似POD的活性，实现了葡萄糖的还原和出色的抗菌效果。

然而，虽然GOx/POD级联反应不断产生抗菌活性物质，但也可能导致H₂O₂在伤口部位的过度积累。在伤口愈合的后期阶段，过多的H₂O₂可能引发严重的氧化应激，损害周围正常细胞的功能并阻碍组织再生[21]、[22]。因此，引入一种能够及时清除H₂O₂并将其转化为无毒副产物的第三种纳米酶对于在整个伤口愈合过程中实现安全有效的治疗至关重要。过氧化氢酶（CAT）活性可将H₂O₂分解为水和氧气（O₂）。这不仅消除了其细胞毒性并减轻了炎症反应，还通过生成的O₂缓解了组织缺氧，可能进一步提高GOx的催化效率[23]、[24]、[25]。基于此，开发结合GOx、POD和CAT活性的多功能纳米酶是一种有前景的策略，以克服上述限制。作为独特的金属过氧化物纳米材料，亚铜过氧化物（CuO₂因其动态可调的催化性能而受到广泛关注。研究表明，它在酸性条件下表现出高效的类似POD的活性，尤其是其催化行为对pH值的变化具有显著的响应性。当环境从酸性变为中性或碱性时，它可以转变为类似CAT的活性，将H₂O₂分解为O₂[26]、[27]。此外，在酸性微环境中，CuO₂可以自发降解释放H₂O₂，为POD的持续激活提供内源性底物[28]、[29]、[30]。这些特性使CuO₂成为一个能够响应伤口动态变化并自主切换功能的智能催化平台。

为了在细菌感染的DW动态愈合过程中实现智能切换的酶活性，本研究采用GOx作为生物模板，并利用Cu²⁺螯合和原位还原的策略，成功构建了一种具有GOx/POD类似/CAT类似三种酶活性的GOx@CuO₂纳米反应器。详细过程如图1所示：金属离子被蛋白质捕获并提供生长位点，随后铜离子在原位被还原形成GOx@CuO_{22的空间紧密耦合，增强了它们之间的界面相互作用，从而提高了材料的催化性能[31]。在感染阶段，GOx@CuO2纳米反应器利用GOx催化葡萄糖产生的酸性和H2O2激活其类似POD的活性，实现高效的细菌清除。同时，酸性环境促使GOx@CuO2降解，持续释放H2O2，形成一个自维持的类似POD的催化循环。随着葡萄糖的消耗和细菌的清除，伤口进入增殖阶段，局部pH值上升至7–8[32]。此时，纳米反应器智能地切换到类似CAT的活性，迅速清除剩余的H2O2，缓解组织缺氧，并抑制炎症反应，从而有效促进内皮细胞的血管生成功能。因此，本研究开发的GOx@CuO2纳米反应器能够智能调节酶级联反应，同时实现多种功能，包括葡萄糖的还原、抗菌、O2的生成和血管生成的促进。这为细菌感染的DW愈合提供了一种变革性的纳米医学策略。}

材料

聚维酮（PVP K30，分子量=40000）和五水合硫酸铜（CuSO_{4·5H2O）从上海麦克林生化科技有限公司购买。过氧化氢（H2O2（浓度7.7 wt%）和葡萄糖氧化酶（GOx，100 U/mg）从上海阿拉丁生化科技有限公司购买。氢氧化钠（NaOH，分析纯）从天津大茂化学试剂有限公司购买。所有其他市售试剂均按原样使用，无需进一步处理。}

GOx@CuO₂的合成与表征

在本实验中，通过蛋白质捕获金属和原位还原的策略成功制备了GOx@CuO₂。使用SEM和TEM对CuO₂和GOx@CuO₂纳米粒子的形态进行了表征。如图2A和B所示，CuO₂和GOx@CuO₂表现出均匀的球形形态。GOx@CuO₂的TEM成像进一步证实了这一观察结果（图2C）。直径分布的统计分析显示，CuO₂的平均尺寸约为34.26 nm，而GOx@CuO₂由于...

结论

总之，针对糖尿病伤口（DW）高血糖微环境引起的严重细菌感染、持续炎症和血管生成受损等关键挑战，本研究成功开发了一种对葡萄糖响应的智能多酶级联纳米反应器（GOx@CuO₂）。该系统通过GOx/POD类似/CAT类似的高效三级酶级联反应，不仅消耗了伤口中的过量葡萄糖，还触发了类似芬顿反应的强烈抗菌效果。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

补充材料

关于GOx@CuO₂的稳定性、抗菌性能、血液相容性、细胞相容性、促血管生成能力、抗炎效果、细胞内ROS清除以及体内治疗效果的详细方法和部分数据见支持信息。

CRediT作者贡献声明

曹燕：监督。 黄毅：撰写 – 原稿撰写、方法学设计、实验研究。 王军：撰写 – 原稿撰写、方法学设计、资金筹集、数据管理。 林艳霞：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金筹集、概念构思。 朱文娇：方法学设计。 陈燕：实验研究。 陈玉辉：方法学设计。 兰凯：监督。 王元香：概念构思。 崔建峰：概念构思。 张园园：实验研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢广东省第二人民医院为这项研究提供实验设施和技术支持。动物实验方案已获得广东省第二人民医院实验动物伦理委员会的批准（2025-DW-SQ-139）。本工作得到了深圳市科技创新发展基金（JCYJ20220530151608018）和临床研究人才项目（NSZD2023048）的支持；