一种基于多糖的水凝胶，结合了纳米酶活性，用于协同实现银屑病的光热-酶促疗法

《International Journal of Biological Macromolecules》：A polysaccharide-based hydrogel integrated with nanozyme activity for synergistic photothermal-enzymatic therapy of psoriasis

银屑病是一种由微生物感染、氧化应激和免疫失调共同引发的慢性炎症性皮肤病，需多机制联合治疗。本研究开发了一种基于CMCS/SA/PAAm三元网络的水凝胶（FP），负载Fe?O?@PPy纳米酶，实现近红外光热疗法（NIR-triggered PTT）、过氧化物酶模拟催化（POD-like）和抗氧化三重协同治疗。FP在NIR照射下有效清除致病菌并引发局部热效应，同时通过分解ROS和抑制IL-17A、TNF-α等促炎因子表达，显著改善银屑病小鼠模型的皮损厚度、炎症细胞浸润和PASI评分（从8.67±0.76降至2.83±0.58，p<0.001）。该水凝胶通过三元聚合物增强机械性能和生物相容性，首次实现无化学药物负载的纳米酶协同疗法，为银屑病治疗提供创新策略。

　　

毛玉轩|史嘉欣|朱文静|凌贵霞|张鹏

沈阳药科大学五牙创新学院，中国沈阳市文华路103号，110016

摘要

银屑病是一种慢性炎症性皮肤病，其发病机制涉及多种病理因素的相互作用，包括微生物感染、氧化应激和免疫失调，因此需要采用综合治疗策略。本文制备了一种基于羧甲基壳聚糖（CMCS）的三元水凝胶（FP），通过协同结合海藻酸钠（SA）和聚丙烯酰胺（PAAm）来负载聚吡咯（PPy）包覆的磁铁矿纳米酶（Fe?O?@PPy）。这种复合水凝胶结合了外源性的光热转换能力和类似过氧化物酶的催化活性，以及CMCS-SA网络本身的抗氧化性能，从而具备抗菌、抗炎和抗氧化三种治疗作用。实验表明，FP水凝胶具有优异的胶体稳定性，并表现出强大的近红外（NIR）触发抗菌活性，对细菌的杀灭效率超过99%。在咪喹莫特诱导的银屑病小鼠模型中，FP水凝胶结合NIR照射显著缓解了银屑病症状，使银屑病面积严重指数（PASI）从8.67 ± 0.76（模型组）降至2.83 ± 0.58（p < 0.001）。组织学分析显示表皮厚度和炎症细胞浸润明显减少，关键促炎因子（IL-17A和TNF-α）的表达也有所下调。这种大分子支架与功能性纳米酶之间的协同作用使FP水凝胶成为一种具有多重机制的银屑病治疗候选材料，为提高患者生活质量提供了一种无需化学药物的手段。

引言

银屑病是一种常见的慢性炎症性免疫介导的皮肤病，其特征是角质形成细胞异常增生[1]、[2]、真皮血管扩张以及免疫细胞（如T细胞和中性粒细胞）的浸润，导致红斑、鳞屑和斑块的形成[3]、[4]。该疾病的发病机制与促炎因子（如IL-17A、TNF-α）的过度释放[5]、[6]、活性氧（ROS）的积累[7]以及皮肤微生物群的失衡密切相关[7]。目前的临床治疗方法包括局部用药（如糖皮质激素、维生素D?类似物）[8]、[9]、光疗（如窄谱紫外线B，NB-UVB）和全身免疫抑制剂（如甲氨蝶呤、生物制剂）[10]，但这些方法常常伴有显著的副作用、高复发率或高昂的治疗成本[11]。因此，开发一种高效、安全且具有多重机制协同作用的新治疗策略具有重要的临床意义。

近年来，纳米材料介导的光热疗法（PTT）在皮肤病治疗中展现出巨大潜力，因其具有非侵入性、时空可控性和低系统毒性[12]、[13]。其中，聚吡咯（PPy）具有优异的光热转换效率、生物相容性和稳定性，适用于近红外（NIR）光热疗法[14]、[15]。同时，PPy包覆的磁铁矿（Fe?O?）纳米酶（Fe?O?@PPy）具有类似过氧化物酶（POD）的活性，可以清除由活化免疫细胞（中性粒细胞/巨噬细胞）、线粒体功能障碍的角质形成细胞、黄嘌呤氧化酶代谢途径和细菌感染产生的H?O?[16]、[17]、[18]。此外，Fe?O?@PPy还能清除过量的活性氧（ROS），缓解炎症微环境[19]、[20]。然而，单一纳米材料在体内容易被清除，难以在病变部位长期停留，从而限制了其治疗效果。

基于微针的银屑病治疗方法主要作为经皮药物递送系统使用，但其效果常受药物渗透深度的限制，尤其是在穿过银屑病皮肤特有的角化过度表皮屏障时。此外，机械阻力和皮肤弹性也常常阻碍微针的完全插入，从而降低药物递送效率[22]。逆向蛋白石[6]、[8]作为一种具有周期性结构的光子晶体，广泛用于生物传感器、药物递送和细胞培养。在银屑病治疗中，它们主要作为药物载体，利用其结构颜色实现药物释放过程中的实时监测和反馈。类似地，响应ROS的递送平台[23]、[24]、[25]可以根据疾病微环境实现精确和局部的药物释放，提供更安全、更有针对性的治疗策略。尽管有这些进展，上述平台的共同局限性在于它们依赖于预先加载的化学药物。相比之下，本文描述的治疗平台利用纳米酶与水凝胶基质之间的协同作用实现光热疗法，无需额外加载药物。

水凝胶因其高含水量、良好的生物相容性和可调的药物释放能力，已被广泛用于局部药物递送系统[26]、[27]。将Fe?O?@PPy加载到水凝胶基质中不仅提高了纳米酶的稳定性，还增强了其在皮肤病变部位的滞留，实现了协同治疗[28]。此外，水凝胶基质材料可以进一步优化以提高生物相容性和功能多样性。聚丙烯酰胺（PAAm）提供高机械强度和弹性，海藻酸钠（SA）具有优异的膨胀和保湿性能，羧甲基壳聚糖（CMCS）则具有抗菌和抗氧化活性[29]、[30]、[31]、[32]。CMCS的分子结构同时含有氨基和羧基，通过氢键和离子交联形成多功能的水凝胶网络。这种三元网络结构不仅使Fe?O?@PPy均匀分散，还能形成物理屏障，减少外部刺激对病变皮肤的二次损伤。此外，由这三种材料制成的水凝胶本身具有酶样活性和ROS清除能力，进一步增强了抗炎和抗氧化效果[33]。

尽管人们对水凝胶-纳米酶系统在炎症性皮肤病中的应用越来越感兴趣，但本研究的创新之处在于几个关键方面，使其区别于现有的方法。首先，大多数报道的系统依赖于单一功能的水凝胶基质（例如仅作为药物载体或物理屏障），而我们的FP水凝胶整合了三元聚合物网络（CMCS/SA/PAAm），每个组分都贡献了不同的互补生物活性：CMCS提供内在的抗氧化和抗菌性能，SA增强水合和膨胀效果，PAAm确保机械强度和组织粘附性。这种协同的大分子设计不仅稳定了嵌入的Fe?O?@PPy纳米酶，还通过ROS清除和抗炎作用积极参与银屑病的治疗，而不仅仅是作为被动载体。其次，与传统主要关注单一治疗模式（如光热或催化治疗）的水凝胶-纳米酶系统不同，我们的FP水凝胶通过结合（i）NIR触发的光热抗菌作用、（ii）类似过氧化物酶的H?O?分解催化活性以及（iii）CMCS网络的内在抗氧化能力，实现了多重治疗协同效应。这种方法同时解决了银屑病的复杂病理生理机制，包括微生物感染、氧化应激和免疫失调。据我们所知，这是首次报道专门为银屑病的局部光热治疗设计的基于CMCS的三元水凝胶，提供了一种无需化学药物的方法，减少了传统药物治疗的副作用和复发风险。这些独特特性共同使我们的FP水凝胶成为一种创新且具有潜在转化潜力的银屑病治疗平台。

本研究设计了一种名为FP的复合水凝胶，基于PAAm、SA和CMCS，并加载了Fe?O?@PPy纳米酶（图1）。本研究探讨了如何通过调整SA和PAAm来调节其物理性质（膨胀、粘附性）和生物功能，以及纳米酶在该定制的CMCS基质中的整合如何创建针对银屑病复杂病理生理机制的协同治疗系统。FP水凝胶具有光热效应、抗菌性能、类似POD的活性和ROS清除能力，从而实现银屑病的协同治疗。在NIR光照射下，Fe?O?@PPy产生局部高温以杀死病原菌并抑制生物膜形成。同时，类似POD的活性催化H?O?的分解，减少氧化应激损伤。FP还能清除ROS，缓解炎症。实验表明，这种水凝胶在银屑病小鼠模型中显著减少了表皮增厚和炎症细胞浸润，并抑制了IL-17A和TNF-α等关键细胞因子的表达，为银屑病的临床治疗提供了新的见解。

材料

FeCl?·6H?O购自天津恒兴化学试剂有限公司（中国天津），FeCl?·4H?O购自天津北辰芳正试剂有限公司（中国天津）。羧甲基壳聚糖（CMCS）和吡咯购自麦克林试剂有限公司（中国上海）。丙烯酰胺（AAm）、N,N,N,N'-四甲基乙二胺（TEMED）、3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）、2,2'-偶氮-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）（ABTS）和海藻酸钠（SA）也购自相同公司。

Fe?O?@PPy的合成与表征

Fe?O?纳米颗粒通过碱法共沉淀法制备，即在碱性溶液中混合Fe2?和Fe3?离子（图1a）。Fe?O?@PPy是通过在磁铁矿纳米颗粒上原位化学氧化聚合吡咯，并使用过硫酸铵作为氧化剂制备的。合成的Fe?O?@PPy呈黑色，可分散在水中（图1b）。Fe?O?纳米颗粒的平均大小为212.3 ± 4.69 nm，多分散指数（PDI）值为0.21 ± 0.04（图1c和表S1）。

局限性与未来展望

尽管FP水凝胶在IMQ诱导的银屑病小鼠模型中显示出有希望的治疗效果，但仍需承认本研究的几个局限性。首先，样本量较小（每组n = 3），尽管基于观察到的较大效应大小进行了先验功效分析，但仍可能限制结果的普遍性。其次，虽然IMQ诱导的模型再现了银屑病的关键炎症特征，但并未完全模拟银屑病的全部病理过程。

结论

总结来说，我们开发了一种基于CMCS/SA/PAAm的多功能水凝胶（FP），其中负载了Fe?O?@PPy纳米酶，用于协同治疗银屑病。这种三元聚合物网络提供了机械强度、组织粘附性和内在抗氧化活性，而嵌入的纳米酶则实现了光热抗菌和ROS清除能力。在NIR照射下，FP水凝胶显著降低了PASI评分，抑制了炎症细胞浸润，并下调了相关因子。

作者贡献声明

毛玉轩：撰写——原始草稿、可视化、概念构思、实验设计、方法学。史嘉欣：撰写——审稿与编辑、可视化。朱文静：撰写——审稿与编辑、可视化。凌贵霞：监督、项目管理、资金获取。张鹏：监督、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。