《International Journal of Biological Macromolecules》：ROS-selective gelation with conductivity and fluorescence signal of MnO
2-based hydrogel for real-time redox microenvironment monitoring and drug screening
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氧化应激检测与药物筛选的水凝胶系统通过MnO?纳米片介导的溶胶-凝胶转变实现，GA与chitosan的Michael加成反应触发凝胶网络形成，同时伴随光学和电化学信号变化，为实时评估抗氧化治疗疗效提供多模态平台。
Anneshwa Dey | Sung Young Park
韩国交通大学IT与能源融合系，忠州市，27469，大韩民国
摘要
氧化还原失衡和活性氧（ROS）水平的升高是多种病理状况的关键因素，这使得氧化应激成为重要的指标和治疗靶点。这凸显了需要能够检测氧化变化并评估针对氧化还原变化的治疗方法的材料。本文报道了一种由壳聚糖-MnO?、聚合物点-MnO?和没食子酸（GA-P/C-MnO?）组成的ROS敏感水凝胶系统。该系统表现出ROS触发的溶胶-凝胶相变：最初MnO?抑制GA与壳聚糖的反应性，从而阻止凝胶的形成。当暴露于ROS时，MnO?发生裂解，使GA基团能够与壳聚糖发生迈克尔加成反应，形成交联的凝胶网络。这种转变伴随着明显的电阻和荧光变化，使得ROS可以通过视觉、光学和电化学方法进行检测。此外，该系统还作为一种药物筛选平台，利用氧化应激响应的凝胶化过程来评估药物的效果。通过其凝胶化反应，该水凝胶能够确定有效清除ROS的最佳药物条件：较低剂量促进凝胶形成，而较高剂量则抑制凝胶形成。
引言
氧化还原平衡对于维持化学和功能稳定性至关重要，其破坏会导致由过量活性氧（ROS）引起的氧化应激。[1]、[2]、[3]、[4] 这种失衡会干扰正常的生化过程并导致DNA损伤，因此ROS是一个关键的监测参数。其中，过氧化氢（H?O?）尤为重要，因为它能够穿透细胞膜，是氧化应激的可靠指标。[5] 因此，精确监测ROS水平不仅对于评估氧化应激至关重要，也对于评估旨在缓解氧化应激的治疗效果十分重要。已经开发了多种氧化还原传感方法，包括荧光染料、化学发光探针和电化学传感器[6]、[7]、[8]。然而，大多数现有系统依赖于单一模式的读数，仅提供静态或终点信息，无法捕捉氧化微环境中的动态变化。因此，它们缺乏将氧化还原变化与材料功能响应同时关联的能力，也无法实时评估治疗反应，这限制了它们作为氧化还原-药物筛选平台的应用[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。这一局限性凸显了需要多响应材料的需求，这些材料能够将ROS的变化转化为协调的机械、光学和电学输出，因为没有任何单一属性能够实时完全捕捉氧化还原引起的材料变化。在这种情况下，如溶胶-凝胶转变这样的机械响应提供了ROS触发结构重组的可见指示；光学响应能够敏感地检测局部氧化变化；电学响应则提供了与导电性变化相关的定量读数。将这些互补信号集成到一个平台上，可以实现跨多个尺度的交叉验证，提高传感可靠性，并便于实时评估氧化状态和治疗效果。此外，这种多模式架构通过同时多参数响应来捕捉药物引起的氧化还原变化，从而更全面地评估药物的效果，而不仅仅是单一终点读数。
为了解决这一挑战，能够将刺激转化为定性或定量物理机械变化的材料提供了一个有前景的方向。其中，水凝胶特别具有吸引力，因为它们的水合网络、可调的粘弹性和可控的相变使其能够对动态生物刺激作出响应[15]。当设计为氧化还原响应型时，水凝胶不仅可以作为结构基质，还可以作为能够检测氧化应激的功能传感器[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。然而，目前的ROS敏感水凝胶存在灵敏度有限和重复性不足的问题，因为它们依赖于间接的化学信号或响应较弱的基团，无法提供可量化的输出[21]。
为了克服这一限制，我们在系统中加入了MnO?纳米片。在氧化还原活性成分中，MnO?纳米片特别有效，因为暴露于ROS会诱导其结构降解，从而实现敏感可靠的氧化活性检测[22]。此外，MnO?的氧化应激依赖性降解行为使其响应可以被ROS清除药物调节，因此可以作为评估这些药物治疗效果的可靠指标[23]、[24]、[25]。因此，将其整合到水凝胶中不仅实现了直接可靠的ROS检测，还提供了一个内置的药物筛选平台[26]。在该系统中，ROS触发的MnO?降解启动了溶胶-凝胶相变，将氧化还原变化转化为可见且有效的材料响应。为了进一步扩展材料的功能性，可以整合基于壳聚糖的聚合物点，为系统添加内在荧光和电导率等额外属性。这些特性使其具有作为光学、电子传感器以及药物筛选平台的潜力。
本文介绍了一种多功能系统（GA-P/C-MnO?水凝胶），由壳聚糖-MnO?（C-MnO?）聚合物、聚合物点-MnO?（P-MnO?）和没食子酸（GA）组成。在正常条件下，由于MnO?的抑制作用，系统保持溶胶状态。在这种前体状态下，MnO?与GA紧密结合，抑制了GA与壳聚糖之间的迈克尔加成反应，从而使壳聚糖的胺基团保持不活跃状态，防止过早交联并稳定系统为溶胶状态。当暴露于ROS时，MnO?在聚合物基质和聚合物点成分中发生氧化裂解。这种降解恢复了没食子酸基团的反应性，使其能够与壳聚糖发生迈克尔加成反应，从而迅速发生溶胶-凝胶转变，形成稳定的水凝胶网络。
除了作为ROS响应材料外，这种溶胶-凝胶转变还作为一种内置的检测方法，用于评估ROS清除药物的效果。使用N-乙酰半胱氨酸（NAC）作为模型ROS清除药物，我们发现水凝胶的相态直接受到体外H?O?水平的控制。低水平的NAC允许凝胶化（因为ROS清除不完全），而高水平的NAC则阻止凝胶化，从而使水凝胶能够实时感知氧化应激并评估治疗效果。与传统依赖于终点测量的药物筛选方法不同，这种基于凝胶化的响应提供了药物效果的动态和功能读数，通过可观察的材料相变实现治疗效果的实时评估。
材料
壳聚糖（低分子量，75–85%脱乙酰化）、高锰酸钾（KMnO?）、没食子酸、N-乙酰半胱氨酸（NAC）和过氧化氢（H?O?）购自Sigma-Aldrich。胎牛血清（FBS，5%）、Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）和Roswell Park Memorial Institute（RPMI-1640）培养基、青霉素-链霉素、胰蛋白酶-乙二胺四乙酸（0.05% w/v）以及胰蛋白酶-EDTA购自Gibco BRL（美国）。C2C12细胞（一种小鼠肌母细胞系）也来自同一供应商。
通过迈克尔加成反应设计并制备H?O?响应型GA-P/C-MnO?水凝胶溶液
使用壳聚糖-MnO?（C-MnO?）、聚合物点-MnO?（P-MnO?）和没食子酸溶液（GA）合成了一个能够检测氧化环境并通过溶胶-凝胶响应水凝胶筛选ROS清除药物的平台。水凝胶的合成方案如图1a所示。系统通过分别合成C-MnO?和P-MnO?来制备，其中MnO?纳米片分别与壳聚糖和聚合物点结合。为了定量验证MnO?的效果...
结论
我们开发了一种氧化还原敏感的水凝胶系统（GA-P/C-MnO?水凝胶），能够通过可见的溶胶-凝胶转变响应氧化应激。在正常条件下，水凝胶保持溶胶状态；但在暴露于活性氧（ROS），特别是过氧化氢时，由于MnO?的降解和随后的壳聚糖-没食子酸迈克尔加成反应，水凝胶发生凝胶化。这种氧化还原触发的转变伴随着结构、光学和...
CRediT作者贡献声明
Anneshwa Dey：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据分析、概念化。Sung Young Park：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论、资金获取、数据分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了韩国政府（MSIT, MOE）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（项目编号：RS-2025-25400034和2018R1A6A1A03023788）的支持。
