《Biomaterials》：Spider-inspired nanohunter in ultrafast hydrogel enables spatiotemporal targeted delivery for enhanced healing of methicillin-resistant
staphylococcus aureus infected wounds
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生物启发“吸引-穿透-杀灭”策略，通过超声波辅助Fenton法将COS-OG纳米抗菌剂与CMCS-OTA水凝胶结合，实现快速凝胶化（20秒内）和时空可控的抗菌抗炎治疗，显著提升伤口愈合效率（92.63% vs 67.18%）。
徐赛清|谢颖|丁凯|李欢|陈家旭|姜宁|郭佳|王荣荣|单阳|丁胜华
湖南大学隆平农业学院岳麓山实验室，长沙，410125，中国
摘要
持续存在的耐药性细菌感染和慢性炎症严重阻碍了伤口愈合，这突显了需要具有时空控制能力的多功能疗法。受球蛛三阶段捕猎机制的启发，我们通过超声辅助Fenton接枝技术改造了一种壳寡糖-辛基没食子酸（COS-OG）纳米捕手，开发出“吸引-穿透-杀灭”的杀菌策略。值得注意的是，COS-OG能够选择性地“吸引”细菌，同时对哺乳动物细胞无毒。分子动力学模拟进一步显示了其高效“穿透”细菌膜的能力，随后在蓝光（BL，54.24 J/cm2）照射下实现“杀灭”阶段，对MRSA的抑制率达到99.99%，远超万古霉素（67.63%）。为了实现时空定向释放，COS-OG被封装在由羧甲基壳聚糖（CMCS）和氧化单宁酸（OTA）形成的绿色水凝胶中。OTA通过席夫碱和氢键自氧化，与CMCS交联，使得水凝胶在仅含20%（CMCS干重）OTA的情况下在20秒内快速凝胶化。这一巧妙的设计不仅赋予了水凝胶出色的注射性能和原位可塑性和抗菌及抗炎功能。具体而言，该系统通过模拟球蛛的捕猎机制（蓝光下，162.72 J/cm2）快速清除细菌，随后通过TA和COS-OG抑制IL17信号通路发挥免疫调节作用，同时促进胶原蛋白沉积和血管生成。体内实验表明，该水凝胶加速了MRSA感染伤口的愈合，伤口闭合率达到了92.63%，而商用3M敷料的愈合率仅为67.18%。总体而言，该系统将仿生设计、超快凝胶化和时空控制集成到一个绿色平台上，为细菌感染伤口提供了一种简单、安全、低成本且可临床转化的治疗方案。
引言
多重耐药性细菌感染的危机日益严重，尤其是由耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）引起的感染，已成为全球重大的健康挑战[[1], [2], [3]]。除了耐药性外，MRSA还会形成顽固的生物膜，阻碍杀菌，并使伤口陷入自我持续的炎症状态[[4], [5], [6]]。因此，迫切需要能够依次消除顽固耐药细菌和调节异常炎症的疗法。然而，现有方法存在细菌靶向性差、细胞毒性、易复发感染、成本高和制备复杂等问题[[7], [8], [9], [10]]。首先，有效靶向细菌是一个重大难题，尤其是由于细菌细胞结构复杂[[8]]。其次，在保持宿主生物相容性的同时有效穿透细菌防御也是一个巨大挑战[[11]]。最后，彻底消灭细菌仍然是一个重大挑战，因为许多疗法无法杀死生物膜内的细菌，导致慢性感染复发和持续炎症[[12]]。因此，设计新的策略来解决这些问题至关重要。
经过数百万年的进化优化，生物体发展出了高度专业化的捕猎策略，为我们的工作提供了创新模板[[13]]。Mastophora属（球蛛）的复杂捕猎机制启发了我们的研究。这些蜘蛛采用“吸引-穿透-杀灭”的策略：(i)在丝线上分泌类似陨石锤的粘性球体，释放信息素吸引雌性蛾子；(ii)蛾子被吸引后，粘性球体的黏液穿透鳞状表皮使其固定；(iii)释放消化酶毒素杀死猎物[[14]]。受“吸引”阶段的启发，我们寻找一种能够模拟蜘蛛粘性球体来诱捕细菌的材料。带正电荷的聚合物能够靶向带负电荷的细菌细胞和生物膜，非常适合“吸引”步骤。球蛛的黏液球中含有丰富的多糖，这促使我们选择了带正电荷的壳寡糖（COS），这是一种生物相容、水溶性的寡聚物[[15], [16]]。然而，COS单独使用时无法“穿透”或“杀死”病原体，无法复制蜘蛛的完整杀伤过程。有趣的是，我们发现辛基没食子酸（OG，一种食品级抗氧化剂）的结构非常适合这一双重任务。首先，其疏水性烷基链可能穿透细菌细胞膜脂质双层，模拟了蜘蛛黏液的渗透效应[[17]]。其次，OG可以通过触发内源性“有毒”活性氧（ROS）的产生来杀死细菌[[17]]。重要的是，即使在低浓度下，OG在蓝光（BL）激发下也能产生大量ROS，通过快速、无抗性的杀菌作用和分散生物膜来提高杀菌效率[[18]]。因此，COS和OG的结合具有执行“吸引-穿透-杀灭”机制的潜力，模仿球蛛的三阶段捕猎过程。然而，开发将这些成分整合的方法仍然具有挑战性。超声辅助Fenton方法因其成本效益、环境安全性和高效的接枝效果而成为一种解决方案[[19], [20]]。因此，受球蛛捕猎机制的启发，我们假设通过超声-Fenton接枝技术制备的COS-OG纳米捕手将表现出强大的抗菌和抗生物膜效果。
然而，COS-OG单独使用无法提供足够的抗炎效果，其粉末形式存在保留性差、治疗效果有限以及无法在不同治疗阶段依次处理伤口的问题[[21]]。水凝胶因其粘附性、保水性和持续释放药物的能力而脱颖而出[[22]]。然而，许多基于合成聚合物的水凝胶存在细胞毒性，缺乏协同的伤口愈合效果[[23]]。羧甲基壳聚糖（CMCS）是一种天然聚合物，可促进成纤维细胞增殖，提供了更安全的替代方案[[24]]。虽然这种水凝胶基础解决了输送问题，但仍需解决几个问题。首先，它缺乏抗炎功能，迫使传统方法添加额外的药物，增加了生产成本和制备复杂性[[25]]。其次，普通水凝胶对伤口微环境信号反应迟钝，无法实现感染伤口所需的时空药物输送，因为急性阶段需要立即杀菌，而后续阶段需要调节炎症[[4], [26]]。最后，许多“智能”水凝胶依赖外部刺激（如紫外线、交联剂）进行凝胶化，导致形成时间延长，有利于细菌增殖和更深层次的组织侵袭，无法满足临床对快速原位应用的需求[[23], [26]]。幸运的是，单宁酸（TA）可能是一个有前景的解决方案，可以“一石三鸟”。TA不仅具有强大的内在抗炎能力，还可以通过与CMCS的自氧化反应生成quinones/aldehydes，通过席夫碱缩合与CMCS胺基形成动态共价键[[27]]。感染引起的酸化可以断裂这些pH敏感的连接，实现按需释放药物[[28]]。此外，这种交联策略操作方便，消除了有毒试剂，并具有实现超快凝胶化的潜力。因此，我们假设将仿生的COS-OG融入CMCS-OTA水凝胶中，可以实现细菌感染伤口的时空定向输送疗法。
总体而言，我们提出了一种“仿生捕猎”策略，将其精细地整合到智能水凝胶中，用于MRSA感染伤口的顺序治疗（方案1）。该系统预计可以防止COS-OG的突然释放，实现时空治疗：急性阶段通过COS-OG（蓝光下，162.72 J/cm2）杀菌，随后通过TA和COS-OG（蓝光关闭）进行抗炎治疗。首先将OG通过超声Fenton方法共价接枝到COS上，并通过多种技术验证其有效性。接下来，将使用实验测定和理论模拟来验证所提出的“吸引-穿透-杀灭”机制对细菌的有效性和选择性。随后，设计CMCS-OTA水凝胶，以加载COS-OG，实现超快原位凝胶化和通过双筒注射器方便使用。最后，体外和体内验证将确认其在小鼠中加速伤口愈合的时空顺序抗菌和抗炎效果。总体而言，这项研究将展示一个可临床转化的仿生平台，实现精确的时空治疗策略，用于管理复杂的感染伤口。
COS-OG的特性
受球蛛独特捕猎机制的启发，我们通过超声Fenton辅助接枝将疏水性OG接枝到COS上，开发出一种高效的杀菌纳米捕手。紫外-可见光谱显示COS-OG光谱在276 nm处有一个特征吸收峰，对应于OG的典型吸收（图1a）。图1b表明，当OG与COS的比例为1:1时，OG的最大接枝率（50.75 ± 2.65 mg OG/g）得以实现，超过此比例后，过量OG会导致空间阻碍
结论
总之，本研究介绍了一种新型的“仿生捕猎”策略，通过COS-OG纳米捕手（通过高效的绿色超声辅助Fenton方法合成）实现细菌的清除，随后将其封装在CMCS-OTA水凝胶中，实现感染伤口的时空控制治疗。COS-OG通过“吸引-穿透-杀灭”机制有效杀灭了MRSA，在强效性和
COS-OG的合成
COS-OG结合物是根据之前的方法进行了一些修改后合成的[[29], [38]]。简要来说，分别将COS（1g）和OG以不同的质量比（COS与OG：1:0.2, 1:0.5, 1:1, 1:2, 1:3）溶解在50 mL水和乙醇中，然后加入三颈烧瓶中。加入抗坏血酸（0.216 g）后，在温和的氮气流下搅拌30分钟。随后加入过氧化氢（H2O2，2 mL，5 M）启动反应
CRediT作者贡献声明
单阳：监督、资金获取。丁胜华：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。陈家旭：方法学。姜宁：监督、资源提供。郭佳：方法学。王荣荣：监督、实验研究。徐赛清：写作——初稿、方法学、实验研究、概念化。谢颖：写作——审稿与编辑、方法学。丁凯：写作——审稿与编辑、方法学。李欢：资源提供，
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的研究。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划项目（2023YFD2100301-4）、国家自然科学基金（32272257, 32472420）、岳麓山实验室现代种业关键技术项目（YSL-2025-ZY01010）和关键新品种培育项目（YSL-2025-ZY02033）、湖南省科技人才支持项目计划-青年和中年学者培养计划（2023TJ-Z01）以及杰出青年科技人才
