基于金属有机框架(MOF)的协同改善缺氧策略优化糖尿病伤口愈合

《Materials Today Bio》：Metal Organic Framework based Synergistic Improvement of Hypoxia for Optimizing Diabetic Wounds Healing

　　

在伤口愈合的生理过程中，适度的炎症有助于坏死组织和细胞的清除。然而，由于供血不足和高糖微环境，糖尿病伤口长期处于严重的缺氧和炎症状态，严重阻碍了其向增殖期的过渡。本研究提出了一种基于ZnO2/CeO2@ZIF-8 (ZCZ)协同改善缺氧的策略。具体而言，ZnO2与水反应产生外源性O2，而CeO2将内源性活性氧(ROS)转化为O2。在早期修复过程中，ZCZ能促进血管内皮细胞的增殖、迁移和管状形成以及新生血管形成。通过体内糖尿病伤口模型观察发现，ZCZ显著缩短了伤口愈合时间。它还通过增加胶原沉积增强了真皮厚度，同时提高了M2巨噬细胞的数量，增加了新生血管形成并改善了携氧能力。机制研究表明，ZCZ主要通过抑制IL6/JAK2/STAT3通路发挥作用。因此，该策略不仅提供了新的临床选择，也为慢性和顽固性伤口的管理开辟了新途径。

该研究发表于《Materials Today Bio》期刊，针对糖尿病伤口因高血糖导致的持续性缺氧、过度氧化应激及炎症反应，阻碍巨噬细胞向修复表型极化进而延迟愈合的临床难题，开发了一种基于金属有机框架（Metal Organic Framework, MOF）的复合纳米材料ZnO₂/CeO₂@ZIF-8 (ZCZ)。研究人员构建了ZCZ纳米复合材料，旨在通过ZnO₂提供外源性氧气、CeO₂模拟抗氧化酶清除活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）并释放内源性氧气，结合ZIF-8载体的缓释特性，协同改善伤口微环境。研究结果表明，ZCZ能有效促进血管生成、调控巨噬细胞从促炎的M1表型向修复的M2表型极化，并通过抑制IL6/JAK2/STAT3信号通路加速糖尿病小鼠的伤口愈合，为慢性伤口治疗提供了新型纳米疗法。

关键技术方法包括：采用水热反应合成ZCZ纳米复合材料并进行表征（透射电镜TEM、X射线光电子能谱XPS等）；利用紫外可见光谱检测材料的过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）模拟活性；通过细胞实验评估人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的活力、活性氧水平、线粒体膜电位及体外血管生成能力（划痕、Transwell、成管实验）；建立db/db糖尿病小鼠背部全层皮肤缺损模型，通过注射给药评估体内伤口愈合率、组织病理学（H&E、Masson染色）、免疫荧光及蛋白质印迹（Western Blot）分析；采用转录组测序（RNA-seq）和生物信息学分析探索潜在的分子机制。

研究结果部分：

1. 1.
   ZCZ的表征：透射电镜显示ZCZ尺寸约100 nm，CeO₂和ZnO₂均匀分布在ZIF-8中。XPS和FTIR光谱证实了Zn、Ce、O及ZIF-8特征峰的存在，动态光散射显示其流体动力学直径约为110 nm。
2. 2.
   ZCZ的抗氧化酶模拟能力：体外实验证实CeO₂和ZCZ具有类似过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性，能有效分解H₂O₂并清除过氧亚硝基（ONOO^-）和DPPH自由基。
3. 3.
   ZCZ的生物相容性：CCK8和溶血试验表明，在50 μg/mL浓度下，ZCZ对HUVECs和RAW 264.7细胞具有高存活率且无明显溶血现象，体内主要器官H&E染色也未显示毒性。
4. 4.
   ZCZ保护细胞免受氧化损伤：在H₂O₂诱导的氧化应激模型中，ZCZ预处理显著降低了细胞内ROS水平和DNA损伤标志物γ-H2AX的表达，并通过恢复线粒体膜电位保护了细胞活力。
5. 5.
   ZCZ促进巨噬细胞从M1向M2极化：在高糖环境下，ZCZ处理降低了M1型标志物（iNOS、TNF-α、IL-1β、IL-6）的表达，同时上调了M2型标志物（CD206、IL-4、TGF-β、IL-10）的水平。
6. 6.
   ZCZ改善血管功能并促进体外产氧：ZCZ促进了HUVECs的增殖、迁移和成管能力。Ru(dpp)₃Cl₂探针检测显示ZCZ能有效降低缺氧诱导因子HIF-1α的表达并增加细胞内氧气含量。
7. 7.
   ZCZ促进糖尿病小鼠体内伤口愈合：在db/db小鼠模型中，ZCZ治疗组的伤口面积显著减小，愈合率达98%，且真皮厚度、胶原沉积（Masson染色和羟脯氨酸含量）及新生血管数量均显著增加。
8. 8.
   ZCZ在体内减少炎症并促进新生血管：ELISA和免疫荧光结果显示，ZCZ降低了促炎因子水平，增加了M2巨噬细胞浸润。光声成像和组织学分析证实了其增加氧合血红蛋白和α-SMA阳性血管的能力。
9. 9.
   ZCZ通过IL-6/JAK2/STAT3信号通路发挥作用：转录组测序（RNA-seq）和Western Blot分析表明，ZCZ治疗后，IL-6表达下调，同时磷酸化JAK2（p-JAK2）和磷酸化STAT3（p-STAT3）的水平升高，揭示了其潜在的分子机制。

讨论部分总结：糖尿病伤口愈合受损的主要原因是高糖诱导的病理微环境导致ROS过量和抗氧化能力下降，引起氧化应激和组织损伤，特别是巨噬细胞极化失调（持续M1型）和血管生成障碍。近年来，MOFs因其高载药量和刺激响应释放特性在治疗应用中显示出潜力，尤其是结合了纳米酶（Nanozymes）的混合MOFs。本研究中的CeO₂发挥了类似氧化酶和过氧化物酶的作用，有效催化ROS转化为O₂，实现了清除ROS和再生内源性O₂的双重功能。锌离子（Zn²⁺）则通过多种机制促进组织修复，包括促进胶原再生、减少炎症以及调节巨噬细胞极化。研究人员成功合成的ZCZ纳米复合材料表现出显著的抗氧化应激、抗炎、持续产氧和促进血管生成的特性。它有效清除了糖尿病伤口过多的ROS，通过IL6/JAK2/STAT3信号通路促进巨噬细胞向M2表型极化，加速进入增殖修复期，并在修复阶段显著增强血管生成和氧气供应，最终改善缺血缺氧状况，加速伤口愈合。有趣的是，ZCZ不仅在糖尿病伤口中有效，在正常伤口中也显示出疗效，表明其作为一种新型治疗策略在非糖尿病伤口中同样具有广泛的应用潜力。