《Bioactive Materials》：Intelligent-responsive hydrogel synergistically mediates immune remodel-antibacterial-angiogenesis cascade for diabetic foot ulcer repair
编辑推荐：
糖尿病足溃疡（DFU）的愈合长期受困于紊乱的免疫微环境、反复感染和血管生成不足等问题。现有敷料多针对单一靶点，难以实现对多个动态关联因素的协同调控。为解决这一难题，研究人员开发了一种负载去铁胺（DFO）的锰掺杂沸石咪唑酯骨架-8（DFO@Mn-ZIF-8）及脐带间充质干细胞来源外泌体（UCMSC-exo）的葡萄糖与活性氧（ROS）双响应壳聚糖水凝胶（Exo/MOF@CPH）。该智能敷料在感染性糖尿病伤口模型中，可同时实现细菌清除、免疫重塑和血管生成促进，有效打破“高ROS-感染-缺氧”的恶性循环，为DFU的治疗提供了极具转化潜力的智能策略。
糖尿病足溃疡（Diabetic Foot Ulcer, DFU）是糖尿病患者面临的严峻挑战，其伤口迁延不愈，犹如陷入了一个难以挣脱的恶性循环。高血糖导致的神经病变、血管缺血和代谢紊乱，共同营造了一个不利于愈合的病理微环境：持续的慢性炎症、脆弱的免疫防线、新生血管严重不足，加上伺机而动的细菌感染，这些因素相互交织，让传统治疗方法常常捉襟见肘。尽管科研人员已开发出多种功能敷料，但大多只能“单兵作战”，或调节免疫，或促进血管，或对抗感染，难以对这一动态变化的复杂网络进行系统性、协同性的精准调控。因此，开发一种能够智能感知伤口状态并“对症下药”的多功能一体化治疗平台，成为了推动糖尿病足溃疡临床治疗进步的关键突破口。
为应对上述挑战，一项发表于《Bioactive Materials》的研究提出了一种创新的“智能响应-协同调控”策略。该研究团队设计并构建了一种名为Exo/MOF@CPH的智能响应性水凝胶。这个“智能平台”的核心在于其精妙的组成与响应机制：它由一种葡萄糖和活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）双响应的壳聚糖基水凝胶作为“骨架”，内部封装了两种关键的治疗“弹药”——一种是负载了去铁胺（Desferrioxamine, DFO）的锰掺杂沸石咪唑酯骨架-8纳米颗粒（DFO@Mn-ZIF-8），另一种则是人脐带间充质干细胞来源的外泌体（UCMSC-derived exosome, UCMSC-exo）。当敷料应用于糖尿病伤口时，它能敏锐地“感知”到伤口处异常升高的葡萄糖和ROS水平，进而触发水凝胶网络的响应性降解，按需、有序地释放治疗成分，实现对伤口微环境的动态干预与重塑。
研究人员综合运用了材料合成与表征、纳米酶活性检测、细胞生物学实验（包括细胞增殖/迁移/血管生成实验、巨噬细胞极化调控、ROS清除评估）以及动物模型验证等关键技术方法。在材料构建上，通过一锅法合成了具有类超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性的DFO@Mn-ZIF-8纳米颗粒，并通过化学接枝制备了苯硼酸修饰的壳聚糖（CS-PBA），进而与聚乙烯醇（PVA）通过动态硼酸酯键交联形成水凝胶。体外生物活性评估涵盖了细胞相容性、促血管生成、抗菌、抗氧化及抗炎等多方面。体内研究则采用了链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病小鼠模型，并构建了金黄色葡萄球菌（S. aureus）感染的全层皮肤缺损伤口，以模拟临床DFU的复杂病理状态，系统评价了水凝胶的促愈合效果、组织学改变及分子机制。样本队列方面，用于提取外泌体的人脐带间充质干细胞由合作公司提供。
研究结果部分揭示了该智能水凝胶的多功能协同治疗效应：
3.1. DFO@Mn-ZIF-8和UCMSC-exo的制备与表征
研究成功合成出具有十二面体菱形结构的Mn-ZIF-8纳米颗粒，锰原子均匀掺杂在骨架中。负载DFO后，颗粒粒径适度增加，晶体结构保持完整。从人脐带间充质干细胞上清中成功分离出典型茶托状形态的UCMSC-exo，其表达CD9和TSG101标志蛋白，并能被巨噬细胞有效内化，这为后续的细胞间通讯和免疫调节功能奠定了基础。
3.2. Exo/MOF@CPH水凝胶的制备与表征
通过苯硼酸与聚乙烯醇的羟基形成动态硼酸酯键，成功构建了CS-PBA/PVA水凝胶（CPH）。负载Exo和MOF后形成的Exo/MOF@CPH水凝胶具有均匀的多孔结构，展现出优异的自愈合、可注射和皮肤粘附性能。流变学测试证实其具有良好的机械性能。至关重要的是，该水凝胶展现了智能响应释放特性：在ROS（H2O2）存在下，锌、锰离子释放加速；在酸性环境中，DFO释放率更高；而在高葡萄糖和高ROS条件下，外泌体的累积释放率最高，证实了硼酸酯键的双响应性，能够实现按需给药。
3.3. Exo/MOF@CPH水凝胶的体外生物活性与抗菌活性评估
水凝胶展现出良好的生物相容性，溶血率低于5%。EdU染色、CCK-8、划痕实验和Transwell实验表明，Exo/MOF@CPH能显著促进人脐静脉内皮细胞（HUVEC）和L929成纤维细胞的增殖与迁移。体外血管生成实验显示，该水凝胶能有效促进HUVEC形成更丰富、更长的管状结构，并上调低氧诱导因子-1α（HIF-1α）、血管内皮生长因子A（VEGFA）和血管生成素1（ANGPT1）等相关基因的表达。同时，得益于壳聚糖的粘附作用和Mn-ZIF-8释放的金属离子，水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出广谱且高效的抗菌能力，并能显著抑制生物膜的形成。
3.4. 水凝胶的抗氧化与抗炎特性
Mn-ZIF-8具有浓度依赖性的类SOD和类CAT酶活性，能有效清除ABTS·+自由基。在细胞水平，MOF@CPH和Exo/MOF@CPH能显著降低由H2O2诱导的细胞内ROS水平。在抗炎方面，研究通过流式细胞术、免疫荧光和RT-qPCR评估了水凝胶对巨噬细胞极化的调控。结果表明，Exo/MOF@CPH能有效降低脂多糖（LPS）诱导的M1型巨噬细胞标志物（CD86, iNOS, TNF-α, IL-1β）表达，同时上调M2型巨噬细胞标志物（CD206, Arg-1, IL-10）的表达。这种强大的抗氧化和抗炎特性源于DFO@Mn-ZIF-8的ROS清除活性与UCMSC-exo促进M2巨噬细胞极化能力的协同作用。
3.5. 感染性糖尿病伤口模型的体内伤口愈合评价
在金黄色葡萄球菌感染的糖尿病小鼠伤口模型中，Exo/MOF@CPH治疗组展现出最快的伤口闭合速度，在第14天时愈合率高达99.41%，显著优于对照组。组织学分析（H&E和Masson染色）显示，该水凝胶能促进更厚的肉芽组织生成，减少炎症细胞浸润，加速上皮化，并促进更有序的胶原沉积和皮肤附件（如毛囊）的再生，提示其可能实现更好的无瘢痕愈合。免疫组化（IHC）和免疫荧光（IF）分析进一步揭示了其分子机制：水凝胶治疗降低了伤口中促炎因子IL-6的表达，增加了M2型巨噬细胞标志物CD206的表达；同时显著上调了促血管生成关键因子HIF-1α、VEGF和CD31的表达，并促进了被α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）覆盖的成熟血管的形成。主要器官的组织学检查和血常规指标证实了该水凝胶良好的生物安全性。
3.6. 感染性糖尿病伤口愈合的潜在机制
对新形成皮肤组织的转录组测序分析为水凝胶的协同治疗机制提供了系统视角。与对照组相比，Exo/MOF@CPH组有大量差异表达基因（DEGs）发生显著变化。基因本体（GO）富集分析显示，这些上调的基因显著富集于表皮细胞增殖、伤口愈合、血管新生、细胞外基质组织及负调控炎症反应等关键生物学过程。京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析进一步揭示，水凝胶通过协同激活HIF-1信号通路、VEGF信号通路、PI3K-Akt信号通路、Ras/Rap1信号通路以及JAK-STAT信号通路等多条关键通路，共同驱动血管生成、细胞增殖迁移、抗炎免疫调节和组织重建。基因集富集分析（GSEA）也证实了HIF-1和VEGF通路的核心作用。1). (C) Cluster analysis heatmap of DEGs. (D, E) GO and KEGG enrichment analysis of upregulated DEGs. (F) GO enrichment chord diagrams. (G, H) GSEA analysis of the HIF-1 signaling pathway and VEGF signaling pathway. (I) WB of HIF-1α, VEGF, PI3K-Akt and JAK-STAT pathways. (J) Schematic diagram of the molecular mechanisms and signaling pathways of hydrogel.">
结论与讨论部分强调了本研究的核心贡献与重要意义。 该研究成功构建了一种葡萄糖/ROS双响应的智能水凝胶Exo/MOF@CPH，它代表了从传统单一功能敷料到多功能一体化、从细胞治疗到无细胞治疗范式转变的有力尝试。该平台通过独特的“智能响应-协同调控”策略，在时间顺序和功能层面上实现了精准协作：首先，响应性释放的Mn-ZIF-8作为“先锋”，利用其纳米酶活性清除过量的ROS并发挥抗菌作用，净化伤口微环境；随后，持续释放的DFO和UCMSC-exo作为“主力”，分别通过化学稳定HIF-1α和生物递送活性miRNA/蛋白，协同激活HIF-1α/VEGF、PI3K-Akt、JAK-STAT等多条促血管生成、促修复和抗炎通路。这种“先清场，后重建”的级联治疗模式，有效地将阻碍愈合的病理微环境逆转为有利于再生的修复性微环境，从而在感染性糖尿病伤口模型中实现了细菌清除、免疫重塑和血管生成的协同促进，显著加速了伤口愈合与组织再生。
该研究的重要意义在于，它为解决糖尿病足溃疡这一复杂临床难题提供了一个极具前景的单平台治疗策略。它不仅展示了智能生物材料在感知和响应动态病理信号方面的巨大潜力，而且通过整合无机纳米材料（MOF）与生物活性组分（外泌体），实现了化学干预与生物调控的完美互补，为设计用于其他复杂病理微环境的先进治疗系统提供了新思路和有益借鉴。尽管研究在动物模型中取得了显著成效，作者也指出未来需要在更符合临床DFU慢性和多微生物感染特性的模型中进行长期验证，并利用基因敲除或抑制剂等手段对揭示的分子通路进行更深入的因果性验证，以推动这一智能策略向临床转化迈出更坚实的步伐。
