《Carbohydrate Polymers》：A spatiotemporally programmed, matrix metalloproteinase-9–responsive hyaluronic acid/polyglutamate hydrogel for accelerating chronic diabetic wound healing
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糖尿病溃疡免疫微环境调控与时空响应药物递送系统研究，开发MMP-9激活型糖肽水凝胶HPDM，通过光控交联形成类ECM结构，实现甲硝唑缓释与甲酸氯MMP-9响应双药物协同释放，加速伤口愈合并降低ROS至0.09倍，提升IL-10达240%，实现炎症-增殖期动态调控。
王春晓|刘青|王宁|范伊诺|程美琪|张新宇|刘淑颖|邵贤蛟|潘盼盼|陈静迪
山东大学海洋学院，威海，264209，中国
摘要
在慢性糖尿病伤口中，免疫微环境的失调源于高血糖、活性氧（ROS）的积累以及基质金属蛋白酶-9（MMP-9）的过度表达，这导致巨噬细胞M1/M2极化的失衡和炎症反应的紊乱，从而阻碍伤口愈合。为了解决这一问题，我们开发了一种MMP-9激活的多模式糖肽水凝胶（HPDM），该水凝胶通过光控聚合在原位形成，作为一种时间响应的药物递送系统。利用伤口微环境中升高的MMP-9活性，载有二甲双胍的明胶微球（Met@GMs）会相应地释放出来。此外，多西环素（Dox）也被纳入水凝胶中，以建立一种优先考虑抗菌和抗炎作用的时间编程治疗方案。HPDM水凝胶对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的杀菌率超过90%，并显著抑制生物膜的形成。这种仿生糖肽结构再现了细胞外基质（ECM）的拓扑结构，有助于恢复其动态平衡。在糖尿病伤口模型中，与对照组相比，HPDM显著加速了伤口愈合，将ROS水平降低到对照组的约0.09倍，并增强了抗炎性IL-10的表达，达到对照组的约240%。它重塑了伤口微环境，加速了糖尿病伤口从炎症阶段向增殖阶段的转变，提供了一种基于时空调节免疫微环境的创新治疗方法。
引言
慢性糖尿病伤口是糖尿病的常见并发症，代表了全球主要的临床挑战（Kang等人，2021年；Patel, Srivastava, Singh, & Singh, 2019年）。长期的高血糖通过增加活性氧（ROS）、上调基质金属蛋白酶-9（MMP-9）和破坏炎症信号传导，共同损害了伤口愈合（Guan等人，2021年；Qian等人，2022年）。高血糖和晚期糖基化终产物（AGEs）引发强烈的炎症反应，并促进中性粒细胞过度产生ROS（Xing等人，2023年）。这些事件延长了糖尿病伤口的炎症阶段，阻止其进入增殖阶段（Yaseen & Khamaisi，2020年），最终导致持续的溃疡和感染风险增加（N. Jin等人，2024年）。此外，MMP-9在糖尿病伤口微环境中过度表达，作为一种明胶酶，会促进对结缔组织形成至关重要的细胞外基质蛋白的过度降解（Lu等人，2021年），从而加剧伤口坏死并延缓修复（Kowluru, Zhong, & Santos, 2012年；G. Li等人，2017年；Y. Liu等人，2009年）。因此，单一目标的干预措施不太可能产生最佳效果，精确调节糖尿病伤口的多因素病理仍然具有挑战性。因此，特别需要具有时间编程响应性的智能敷料来主动调节免疫微环境。
巨噬细胞是组织重塑、稳态和再生的关键调节者。大多数组织都存在驻留的巨噬细胞群，它们能够根据微环境信号动态适应，以协调组织特异性功能（Alhamdi等人，2019年；Yang等人，2025年；Ye等人，2025年）。在糖尿病伤口中，持续的高血糖、缺氧、慢性炎症和氧化应激使巨噬细胞偏向持续的促炎M1表型，导致细胞因子（如TNF-α、IL-6）的过度分泌，进一步放大炎症（Yang等人，2025年；Yang等人，2025年）。同时，M2极化受到抑制，修复介质（如VEGF、PDGF）的产生减少，阻碍了血管生成和胶原蛋白的合成。此外，高血糖还损害了巨噬细胞的吞噬作用和病原体清除能力，导致坏死组织的积累（Shang等人，2024年；You等人，2024年）。因此，精确控制巨噬细胞极化并重建局部免疫微环境对于促进糖尿病伤口愈合至关重要。
近年来，响应刺激的药物递送水凝胶在生物医学领域引起了广泛关注。这些材料能够响应内源性和外源性信号，包括ROS、温度、pH值、葡萄糖和酶，从而实现精确的、按需的药物释放控制（Li等人，无日期；Yang, Fang等人，2025年；Zhou等人，2022年）。值得注意的是，基质金属蛋白酶-9（MMP-9）在慢性糖尿病伤口部位过度表达，严重阻碍了修复。因此，MMP-9响应性水凝胶为时间调节的治疗系统提供了基础，这些系统可以主动调节免疫微环境（Lin等人，2025年；Meng等人，2025年）。此外，M1和M2表型之间的动态转换对于有效修复至关重要。同时，高血糖和促炎微环境会驱动MMP-9的过度激活，进一步延迟愈合（X. Wei等人，2024年；Zhang等人，2025年）。利用早期的M2极化以及MMP-9触发的释放，可以产生一个对微环境敏感、时间可控的系统，调节糖尿病伤口的微环境并促进再生。尽管MMP响应性水凝胶和双药递送系统在伤口愈合方面取得了显著进展（Y. Liu等人，2025年；Tan等人，2023年；Y. Zhang等人，2023年），但目前的设计仍面临慢性伤口（如糖尿病溃疡）复杂病理的挑战。例如，许多系统只是将两种药物共同封装在同一网络中，难以实现与抗炎阶段后继的再生阶段相一致的时间控制。其他系统虽然能够实现顺序释放，但所依赖的触发因素与糖尿病伤口的特定病理信号关联不强（Yang等人，2024年；Yi等人，无日期）。因此，基于生物材料的平台，具有适当的时间响应性，是一种有前景的策略，可以引导内源性巨噬细胞极化，调节免疫微环境，并增强组织修复。
在这方面，我们设计了一种MMP-9响应性的、双药装载的仿生糖肽水凝胶（HPDM），具有时空编程的顺序释放功能。首先，硫醇化的聚谷氨酸（γ-PGA-SH）和甲基化的透明质酸（HAMA）通过硫醇-烯点击化学交联，形成稳定的硫醚键。随后暴露于可见光下引发原位光交联，生成一种基于糖肽的水凝胶（HP），该水凝胶再现了细胞外基质（ECM）的拓扑结构。在这个网络中，我们整合了多西环素（Dox）和MMP-9响应性的载有二甲双胍的明胶微球（Met@GMs）。该设计根据糖尿病伤口的病理时间线进行编程：预计Dox会首先从水凝胶基质中释放，以应对早期炎症和细菌感染，而微球中的Met释放则由修复后期峰值出现的高浓度基质金属蛋白酶-9（MMP-9）特异性触发，从而解决持续的代谢失调问题（图1）。基于以上内容，我们假设通过可见光引发的硫醇-Michael加成法制备的γ-PGA-SH/HAMA糖肽水凝胶，可以作为MMP-9响应性Met@GMs和Dox的智能载体。此外，当被糖尿病伤口中高表达的MMP-9触发时，水凝胶将实现Met和Dox的时空编程双药递送。我们预计，这种协同释放策略不仅会发挥有效的抗菌、抗氧化和抗炎作用，还能通过重塑局部免疫微环境显著加速糖尿病伤口的愈合。
材料
聚谷氨酸（γ-PGA）购自华西生物科技有限公司。透明质酸钠盐（HA，名义重量平均分子量Mw约为3.0×10^5 g/mol，H909936，供应商指定），甲基丙烯酸缩水甘油酯（97%），盐酸半胱氨酸（Cys），明胶，盐酸二甲双胍（Met，97%）和盐酸多西环素购自上海麦克林生化技术有限公司。三乙胺（TEA）和四丁基溴化铵（TBAB）购自国药集团
合成材料的表征
HAMA（一种HA衍生物）是通过使用TEA/TBAB作为催化剂，将GMA的环氧基团与HA的羟基团反应制备的。γ-PGA-SH是通过碳二亚胺介导的Cys的氨基与γ-PGA的羧基之间的偶联合成的。这些衍生物通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱和^1H NMR光谱进行了表征。HAMA的FTIR光谱在1650和1560 cm^-1处显示出强吸收带（酰胺I伸缩和酰胺II弯曲）
结论
总之，我们通过可见光介导的γ-PGA-SH和HAMA交联，开发了MMP-9响应性糖肽水凝胶（HPDM）。这些水凝胶表现出可控的凝胶化、膨胀、粘附性和机械强度。它们能够快速吸收渗出物和血液，可以在急性伤口闭合中替代缝合线。HPDM同时递送多西环素（Dox）和MMP响应性的载有二甲双胍的明胶微球（Met@GMs）。Met根据MMP-9的响应性按需释放，延长局部效果
CRediT作者贡献声明
王春晓：撰写——原始草稿，验证，方法学，调查，形式分析，概念化。刘青：撰写——原始草稿，软件，方法学，形式分析。王宁：调查，数据管理。范伊诺：验证，调查。程美琪：软件，调查。张新宇：调查，形式分析。刘淑颖：数据管理。邵贤蛟：调查。潘盼盼：撰写——审阅与编辑，监督，资源获取，资金筹集。
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会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了山东省自然科学基金（ZR2024MH104、ZR2022QD057、ZR2023MC125）、山东省海洋水产养殖创新与创业联盟项目（YZ2024007）、中国博士后科学基金（2023T160492）、国家重点实验室开放基金（BGRIMM-KJSKL-2023-2023）、山东先进材料与绿色制造实验室（AMGM2021F02）以及跨学科培养计划的财政支持
