仿生纳米平台用于催化-光热协同抗菌治疗及加速糖尿病伤口愈合

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Bioinspired nanoplatform for catalytic-photothermal synergistic antibacterial therapy and accelerated diabetic wound healing

　　

糖尿病伤口的高血糖微环境极易发生细菌感染和生物膜形成，加之炎症失调和血管生成受损，给临床有效管理带来重大挑战。温和光热治疗因其优异的生物相容性和促血管生成特性，被认为是糖尿病伤口有前景的抗感染策略。然而，单独光热治疗对糖尿病伤口复杂微环境的治疗效力仍显不足。为克服这一局限，研究人员构建了一种多功能纳米平台（MMD）用于协同治疗。该平台以三维MoS?纳米花为载体，沉积具有葡萄糖氧化酶样活性的Mn-NC纳米酶，并进一步用葡聚糖包被以增强生物膜定位和滞留，形成一体化治疗体系。在糖尿病伤口微环境中，MMD orchestrates一个自我放大的抗菌循环：Mn-NC消耗内源性葡萄糖产生H?O?，同时MoS?在近红外 irradiation下提供温和光热效应。这种协同的、燃料触发的双重作用实现了强力杀菌，避免了传统光热治疗固有的热 collateral损伤。体外评估表明，这种多模态协同方法实现了高效抗菌，对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的杀灭率均超过99%，并有效清除了相关生物膜。体内研究显示，MMD + NIR治疗显著清除伤口细菌、加速炎症消退，并促进再上皮化、胶原沉积和血管生成。因此，在糖尿病大鼠感染伤口模型中，MMD + NIR治疗实现了96.24 ± 1.36%的高质量愈合比率。该研究提出了一种具有治疗协同效应的整合纳米材料方法，用于糖尿病伤口感染，兼具精准抗菌和主动促进愈合的双重功能。

该论文发表于《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》，旨在解决糖尿病伤口管理中存在的核心临床难题。糖尿病作为全球最普遍的公共卫生挑战之一，其严重并发症如慢性糖尿病伤口给医疗系统带来沉重负担。糖尿病伤口管理面临的主要困境源于持续性高血糖、继发性感染易感性增加以及血管生成受损。伤口部位异常升高的葡萄糖水平不仅直接阻碍组织修复，还为细菌增殖提供丰富底物，导致频繁且难以控制的感染。常规治疗策略如全身抗生素应用常受耐药菌株出现所限，且对已形成的生物膜效力有限。在此背景下，近红外（near-infrared, NIR）光热治疗（photothermal therapy, PTT）作为一种有前景的非侵入性替代方案应运而生，其通过光热剂将NIR光转化为局部热量，直接杀灭细菌并通过热刺激促进血管生成和加速组织修复。然而，当前PTT策略面临关键挑战：实现充分杀菌效力常需较高温度（>50°C），这不可避免地造成周围健康组织的不可逆热损伤并延迟愈合；而在较温和的生物安全温度范围内操作则显著削弱抗菌效力，凸显了单模态PTT在生物安全性与治疗效力之间的固有权衡。因此，PTT领域的关键挑战在于如何在不上调温度的情况下实质性增强温和光热治疗的病原体清除能力，同时解决伤口高血糖这一根本原因。为克服此难题，整合活性氧（reactive oxygen species, ROS）介导的抗菌活性提供了有效解决方案。具有葡萄糖氧化酶（glucose oxidase, GOx）样活性的纳米酶可模拟天然GOx的催化功能，将内源性葡萄糖转化为葡萄糖酸和H?O?，从而原位生成ROS并同时消耗过量葡萄糖，形成自我维持的治疗过程。然而，基于ROS的疗法临床转化受限于靶向性差、对致密生物膜基质穿透力不足以及被细菌抗氧化系统（如谷胱甘肽, glut沉思片刻胱胺肽, GSH）快速清除等问题。基于此，研究人员开发了多功能治疗平台MoS?@Mn-NC@Dex（MMD），通过逐步组装策略构建：首先以水热法合成MoS?纳米花作为NIR响应性光热核心，随后将具有GOx样活性的超小Mn-NC纳米酶负载于其表面形成MM纳米复合物，最后以葡聚糖（dextran, Dex）进行表面功能化获得MMD颗粒。葡聚糖修饰可改善生物相容性并增强纳米颗粒与细菌生物膜的相互作用和滞留，因生物膜的胞外聚合物（extracellular polymeric substance, EPS）基质富含多糖，葡聚糖与该基质具有良好亲和性。

研究人员为开展该研究所采用的主要关键技术方法包括以下方面。在材料合成与表征方面，采用水热法制备MoS?纳米花，并通过聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone, PVP）辅助逐步锚定Mn-NC纳米酶，最终经Dex修饰获得MMD；利用扫描电子显微镜/能谱分析（SEM/EDS）、zeta电位测定、粉末X射线衍射（powder X-ray diffraction, PXRD）和傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR）等进行系统表征。在光热性能评价方面，使用808 nm NIR激光器评估光热转换性能，监测不同功率密度和浓度下的温度变化，并通过五次开/关循环测试光热稳定性，计算光热转换效率。在催化活性评价方面，采用商业H?O?检测试剂盒和KMnO?显色反应评估GOx样活性，利用DTNB显色法测定GPx样活性以评价GSH消耗能力。在体外抗菌评价方面，采用平板计数法评估对浮游菌的杀灭效果，通过结晶紫染色法定量分析生物膜抑制率。在生物相容性评价方面，采用CCK-8法、Live/Dead染色、细胞骨架染色和溶血实验评估材料安全性。在细胞功能评价方面，通过划痕实验、Transwell迁移实验和Matrigel管腔形成实验评价人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells, HUVECs）的迁移和血管生成能力。在体内评价方面，采用链脲佐菌素（streptozotocin, STZ）诱导的糖尿病SD大鼠建立背部金黄色葡萄球菌感染全层皮肤伤口模型，通过ImageJ软件跟踪伤口面积变化，并于第7天和第14天取材进行H&E染色、Masson三色染色、MPO免疫组化、VEGF免疫组化以及CD31和α-SMA免疫荧光分析。

以下是研究结果部分的详细介绍：

**MMD的合成与表征**：研究人员通过水热法合成MoS?，经PVP辅助逐步锚定Mn-NC纳米酶，最终Dex修饰获得MMD。SEM和TEM图像显示原始MoS?呈现典型的三维花状结构，由弯曲纳米片组成，提供大比表面积；Mn-NC为表面光滑的球形纳米颗粒；MM的SEM图像清晰显示Mn-NC纳米颗粒成功附着并均匀分布于MoS?纳米片表面。Dex修饰后MMD维持整体架构。动态光散射测得MoS?、Mn-NC、MM和MMD的平均粒径分别为335.23 ± 21.66 nm、29.69 ± 7.64 nm、392.21 ± 43.38 nm和403.6 ± 35.17 nm。元素 mapping分析显示Mo、S、Mn、C和N均匀分布于复合物中。XRD图谱证实了晶态MoS?的成功合成，在14.4°、32.5°和58.5°处出现对应于六方2H-MoS?的（002）、（100）和（110）面的特征峰；Mn-NC在18.7°、28.6°、32.1°和35.8°处出现可归属于Mn?O?相关结构的衍射峰；MMD中两组分的图谱均得以保留且无杂峰出现。Raman光谱进一步验证了复合物的成功形成，同时观察到MoS?的E₁2g（380 cm^-1）和A₁g（405 cm^-1）特征峰以及Mn-NC的Mn-O振动模式（641 cm^-1）。XPS分析确认MMD的元素组成为Mo、S、C、N、Mn和O，且Dex修饰后表面负zeta电位降低，O 1s高分辨谱中晶格氧比例从63.90%降至58.25%而吸附氧比例从8.35%升至12.87%，证实Dex的成功包被。

**MMD的光热和催化性能**：使用808 nm NIR激光（0.69 W/cm2）系统评估光热性能。Mn-NC单独温度升高有限（ΔT = 4.7°C），而MMD在10分钟照射期间温度从29.9°C升至46.0°C，温升达16.1°C，确认MoS?为光热效应的主要贡献者。通过调节激光功率密度和MMD浓度，可将平衡温度稳定控制在45°C理想范围内。五次激光开/关循环后MMD最大温升未显著衰减，表现出优异的光热稳定性，光热转换效率达32.45%。催化活性评价显示，MMD对葡萄糖氧化为葡萄糖酸和H?O?具有高催化活性，Mn-NC为主要功能贡献者；同时复合材料可有效催化抗氧化物质GSH的氧化，MoS?为该活性的主要来源，且GSH消耗率呈显著浓度依赖性。

**MMD的体外抗菌和抗生物膜性能**：菌落计数结果显示，单独NIR照射或低浓度MMD孵育对细菌存活影响有限；即使MMD联合NIR，细菌存活率仍高于15%，表明单独温和光热治疗不足以有效灭菌。而当MMD、葡萄糖和NIR照射同时应用时，细菌存活率急剧下降，对E. coli和S. aureus均实现>99%的杀灭效果。SEM观察显示MMD + NIR + Glu组细菌出现明显膜破裂和皱缩，而仅MMD介导的温和光热处理组仅轻微变形。生物膜抑制实验表明，对照组形成致密生物膜；MoS?、Mn-NC和MM组生物膜形成轻微减少；MMD + Glu组生物膜积累显著减少。MMD + NIR组也表现出显著抗生物膜活性，而MMD + NIR + Glu组生物膜信号显著减弱，生物膜形成率仅为15%（MMD + NIR组为38%），证明了光热与催化治疗的强大协同效应。

**MMD的生物相容性评价**：Live/Dead染色和CCK-8检测显示，除400 μg/mL条件外，所有浓度组细胞活力均>80%；温和光热处理未对细胞活力产生不利影响。F-actin网络广泛分布且片足清晰可见，证实材料生物安全性。溶血实验显示浓度高达400 μg/mL时溶血率低于5%且与阴性对照无统计学差异，NIR照射未改变该特性。

**MMD促进细胞迁移和血管生成的评价**：在高糖低氧模型中，模型组细胞活力降至约50%，而MMD + 治疗组恢复至89%。划痕实验中，对照组在高糖低氧条件下迁移能力严重受损，MMD处理组迁移速率显著加快、伤口闭合率提高约60%，联合NIR治疗组划痕闭合率达约76%。Transwell实验定量证实MMD + 组迁移细胞数显著多于MMD组。管腔形成实验中，模型组仅形成不连续、碎片化的管状结构，而MMD + 处理后内皮细胞形成更复杂、致密且节点丰富的管状网络，总管长度和节点数均显著增加，表明MMD联合NIR照射具有强效促血管生成作用。

**MMD促进糖尿病伤口修复的体内评价**：在STZ诱导的糖尿病SD大鼠背部S. aureus感染全层伤口模型中，MMD和MMD + 治疗均显著加速伤口愈合，MMD + 组第14天伤口近乎完全闭合，仅留轻微瘢痕，愈合率达96.24%。第14天伤口组织细菌负荷分析显示MMD + 组几乎检测不到活菌。主要器官H&E染色显示MMD或MMD + 组与对照组相比无 discernible组织学改变。H&E染色显示第7天时对照组肉芽组织稀少脆弱、新生血管不足、上皮再生滞后；MMD和MMD + 组再上皮化显著增强。第14天时对照组仍残留炎症区域、肉芽组织不成熟且上皮化不完全；而MMD + 组实现伤口完全再上皮化，并再生毛囊和腺体等皮肤附属器结构，再上皮化率达90.67%。Masson三色染色显示第7天时对照组仅少量、杂乱、松散排列的蓝色胶原纤维；MMD组胶原沉积多于对照组且开始成网；MMD + 组胶原纤维更致密、排列更有序。第14天时MMD + 组呈现明显更致密、排列更规整的胶原束，相对胶原沉积量达87.71%。

**MMD介导的炎症调控和血管化潜能的体内评价**：第7天MPO免疫组化显示对照组MPO阳性细胞极少，MMD处理组MPO阳性信号显著增强，证实MMD有效招募中性粒细胞至伤口部位；MMD + 组MPO阳性信号较MMD单独组适度减弱但仍高于对照组，提示轻度光热治疗加速细菌清除从而缩短中性粒细胞浸润所需时间和强度。VEGF免疫组化显示MMD和MMD + 治疗均显著上调VEGF表达，MMD + 组诱导作用最强。CD31和α-SMA免疫荧光共染显示MMD和MMD + 组CD31荧光强度显著高于对照组，且α-SMA表达在MMD + 组 uniquely增强，证实MMD治疗特别是联合NIR照射可促进糖尿病伤口血管生成。

研究结论部分翻译如下：本文通过逐步组装策略构建了一种多功能治疗纳米平台（MMD）。首先合成MoS?纳米花，随后将超小Mn-NC纳米酶负载于其表面形成MM纳米复合物，最后以葡聚糖功能化获得MMD颗粒。该纳米平台的抗菌活性源于两种机制的协同作用：MoS?在808 nm irradiation下的温和PTT效应，以及Mn-NC的GOx样活性持续将内源性葡萄糖转化为H?O?。这种组合不仅缓解局部高血糖，还生成H?O?，从而在最小化周围组织热损伤的同时增强杀菌效果。该系统对浮游细菌和生物膜感染均实现高效清除，对E. coli和S. aureus的抗菌率超过99%。此外，MMD表现出优异的生物相容性，细胞毒性极小，并可持续促进细胞迁移和体外血管生成等关键愈合过程。在糖尿病大鼠模型中，MMD + NIR显著加速伤口愈合，14天后闭合率达96.24 ± 1.36%。组织学分析证实MMD + NIR有效减少细菌负荷、增强胶原沉积、增加中性粒细胞浸润并促进新生血管形成。综上所述，MMD纳米平台同时解决了糖尿病伤口特征性的感染控制和愈合受损环境问题，代表了慢性糖尿病伤口管理的一种有前景的治疗候选方案。