异结构Au/CeO?金属气凝胶纳米酶用于治疗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染的糖尿病溃疡

《Journal of Colloid and Interface Science》：Heterostructured Au/CeO 2 metallic aerogel nanozyme for healing MRSA-infected diabetic ulcers

糖尿病溃疡感染治疗开发异质结构Au/CeO?金属气凝胶，通过近红外-II光热效应协同葡萄糖氧化酶/过氧化物酶-like催化活性杀灭耐药菌及生物膜，同时SOD/CAT-like活性清除过量ROS并抑制NF-κB炎症信号，促进血管再生和胶原沉积，实现感染-氧化应激-炎症耦合屏障的协同调控。

　　

龚鸿宇|唐静|王明辉|李娜|吴文超|杨青来|谭晓峰

中南大学衡阳医学院肿瘤研究所分子成像探针中心、湖南省妇幼保健院出生缺陷研究与预防国家重点实验室麻醉科，中国湖南省衡阳市421001

摘要

糖尿病溃疡（DUs）是糖尿病的严重并发症，其特征是高血糖、持续感染、缺氧和慢性炎症。这种恶劣的微环境促进了生物膜的形成，并削弱了内源性抗氧化防御机制，导致愈合受阻。本文开发了一种异质结构的Au/CeO₂金属气凝胶，作为治疗感染性糖尿病溃疡的多功能平台。该气凝胶结合了第二近红外（NIR-II）光热加热和内在的葡萄糖氧化酶（GOx）/过氧化物酶（POD）级联催化作用，有效杀死了耐药性浮游细菌和与生物膜相关的感染；同时，其类似超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性通过清除过多的活性氧（ROS）和减轻炎症信号（包括核因子κB（NF-κB）来缓解氧化应激。体外和体内实验结果表明，这种气凝胶能增强血管再生和胶原蛋白沉积，从而加速伤口愈合。这些发现共同表明了一种适应不同阶段的纳米酶策略，可以有效应对感染、氧化应激和炎症之间的相互作用。

引言

糖尿病已成为全球增长最快的慢性代谢疾病之一，对公共卫生构成了重大挑战。据预测，到2050年全球糖尿病患者人数将达到8.53亿[1] [2]。糖尿病溃疡（DUs）是糖尿病的毁灭性并发症，是非创伤性下肢截肢的主要原因[3]。其复杂的病理生理机制包括严重感染、缺氧和免疫抑制，形成了过度炎症和组织再生受损的恶性循环，导致愈合困难[4] [5]。在糖尿病溃疡的早期阶段，持续的高血糖环境不仅促进了对外部刺激具有抵抗力的严重生物膜感染，还抑制了新生血管的形成，进一步加剧了组织缺氧[6] [7]。随着炎症阶段的进展，巨噬细胞和中性粒细胞会产生大量活性氧（ROS），而高血糖和缺氧条件会加重这一现象。过多的ROS产生会导致慢性炎症延长、血管生成减少和组织重建异常，最终恶化糖尿病溃疡的愈合速度和效果[8]。一种有前景的治疗策略是同时针对微生物生物膜、调节过量的ROS水平、调控炎症反应和促进新生血管形成[9] [10] [11] [12]。传统的抗生素疗法常常由于抗生素耐药性和免疫微环境的紊乱而导致“消毒-复发-组织坏死”的恶性循环。虽然天然酶在生理代谢过程中是重要的生物催化剂，但其治疗应用受到高成本和病理条件下不稳定性的限制[13]。因此，迫切需要创新性的协同方法来破坏生物膜保护、调节炎症反应并消除过多的ROS，从而促进糖尿病溃疡的愈合。

纳米酶是一种模拟酶活性的工程纳米材料，由于其优异的环境适应性和可定制的催化特性，为感染相关疾病提供了有前景的治疗平台[14] [15]。这些纳米酶在靶向耐药性细菌生物膜和重新编程免疫炎症微环境方面显示出显著潜力[16] [17] [18]。具体而言，具有葡萄糖氧化酶（GOx）和过氧化物酶（POD）级联活性的纳米酶可以在微酸性条件下有效清除细菌和生物膜，并促进高活性羟基自由基（•OH）的生成[1] [19]。此外，这一过程还能使巨噬细胞从M0型转变为M1型，有助于清除与生物膜相关的感染。在随后的炎症和修复阶段，具有自我级联抗氧化活性的纳米酶（如超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）可以在接近中性或碱性条件下清除过量的ROS（包括H₂O₂和超氧阴离子（•O₂^?）[20] [21]。这些抗氧化行为有助于维持细胞内氧化还原平衡，并通过将巨噬细胞从M1型转变为M2型来重新编程免疫微环境，从而加速组织再生。此外，SOD/CAT样的活性还有助于生成O₂，从而显著缓解缺氧，促进血管再生[22] [23]。此外，抑制核因子κB（NF-κB）这一诱导型转录因子家族在改善炎症反应中起着关键作用[24] [25] [26]。NF-κB激活的主要机制涉及其抑制因子κBα（IκBα）的可诱导降解，该降解由刺激响应性的抑制性IKK激酶复合体触发，从而激活p65并使其向细胞核转位，进而驱动促炎基因的表达[26]。然而，利用纳米酶的多功能特性同时有效清除生物膜感染、减轻氧化应激和慢性炎症以实现快速组织再生仍是一个重大挑战。

多种纳米酶，包括贵金属纳米颗粒、金属氧化物和金属有机框架（MOFs），已被证明具有多酶样活性[27] [28]。其中，自支撑金属气凝胶由于其多级孔隙结构、较大的比表面积和固有的高活性而在生物医学工程领域处于领先地位[29] [30]。调节金属骨架的形态、组成和电子状态对于改善金属气凝胶的物理化学性质及其后续应用至关重要。特别是氧化铈（CeO₂）因其独特的氧化还原活性表面而受到特别关注，该表面具有氧空位和氧化还原塑性（Ce³⁺/Ce⁴⁺之间的转换），在不同条件下既具有抗氧化作用也具有促氧化作用[31]。CeO₂纳米酶表现出出色的生物相容性，能有效调节炎症和氧化应激，并在增殖阶段促进血管生成[32] [33]。此外，对CeO₂中的氧空位进行工程设计和异质金属掺杂可以保持晶格内的电荷中性，使其能够吸收和释放晶格氧。这一机制促进了Ce³⁺和Ce⁴⁺之间的氧化还原转换，显著增强了其酶样催化活性[34] [35] [36]。因此，将具有氧空位和异质金属掺杂的独特金属氧化物气凝胶结构结合起来是一种有效的策略，可以增强基于铈的纳米酶的催化活性。

本文通过异丙醇诱导的方法制备了异质结构的Au/CeO₂金属气凝胶。通过空位工程改造的Au–CeO₂异质界面赋予气凝胶多酶模拟活性和高光热转换效率（PCE，η?=?47.4%），从而能够综合调节感染、氧化应激和炎症。机制上，GOx/POD级联催化作用在NIR-II光热加热的增强下表现出抗菌和抗生物膜效果；而SOD/CAT样的活性则可以减轻ROS过载并促进炎症消退，表现为NF-κB通路标志物（p-IKKβ/α和p-p65）的磷酸化减少。由此产生的微环境有利于血管生成和胶原蛋白重塑，表现为CD31和α-SMA表达的增加。总体而言，这些气凝胶提供了一种基于纳米酶的统一策略，可以有效应对感染性糖尿病溃疡中的复杂病理障碍并支持伤口修复。

化学试剂

化学试剂

四氯金酸三水合物（HAuCl₄·3H₂O，99.9%）、三氯化铈（CeCl₃，99.9%）、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（99%）、3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB，99%）、亚甲蓝（MB，98%）、硼氢化钠（NaBH₄，98%）、对苯二甲酸（TA，99%）和万古霉素均购自上海Titan Scientific有限公司。2,7-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）购自Sigma-Aldrich有限公司。活/死细菌染色试剂盒由...

Au/CeO₂气凝胶的合成与表征

Au/CeO₂金属气凝胶是通过一步离子液体法制备的。具体来说，氯金酸（HAuCl₄）和三氯化铈（CeCl₃与离子液体[BMIm]PF₆混合，该液体能有效抑制金属前体的水解，从而促进Au和Ce前体的一步核心还原凝胶化过程。加入NaBH₄后，混合物迅速变为深棕色，并在短时间内形成凝胶状的水凝胶。

结论

在这项工作中，我们开发了一种异丙醇诱导的策略，用于构建具有丰富氧空位和界面电子耦合的单块Au/CeO₂异质结构气凝胶。这种通过空位工程改造的架构结合了多酶模拟催化作用和高效的第二近红外（NIR-II）光热转换（η?=?47.4%），从而实现了单一平台对感染性糖尿病溃疡中感染、氧化应激和炎症之间的相互作用的有效调节。

CRediT作者贡献声明

龚鸿宇：撰写原始稿件、进行研究、进行数据分析、进行概念构思。唐静：撰写和编辑、进行验证、进行研究、争取资金支持、进行数据分析、进行概念构思。王明辉：撰写原始稿件、进行研究、进行数据分析、进行概念构思。李娜：进行验证、进行数据分析。吴文超：进行研究、进行数据分析。杨青来：撰写和编辑、撰写原始稿件、进行监督。

利益冲突声明

作者声明他们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

作者感谢国家自然科学基金（编号22374065）、湖南省杰出青年基金（编号2024JJ2047）、湖南省自然科学基金（编号2025JJ50563、2025JJ80655）、湖南省教育厅科学研究基金（编号25A0341）、湖南省妇幼保健院高层次人才发展计划以及高等学校科技创新研究团队资助计划的支持。