葡萄糖响应性纳米酶水凝胶：糖尿病伤口愈合中的血糖调控与催化抗感染治疗新策略

本刊推荐：为解决糖尿病伤口因高血糖、细菌感染和氧化应激导致的愈合延迟难题，研究人员开发了一种葡萄糖激活的自切换纳米酶-水凝胶平台（MOF(Zn-Fe)/GOx/INS@Gel）。该平台能根据血糖波动智能释放胰岛素实现闭环血糖控制，同时通过级联催化产生•OH发挥抗菌作用，并促进血管生成和组织修复。动物实验证实其能显著加速伤口愈合，转录组分析揭示其上调再生通路、抑制炎症凋亡信号的重要意义。

　　

糖尿病已经成为影响全球4.63亿人的流行病，其中慢性高血糖会严重损害伤口愈合过程，显著增加截肢和死亡风险。糖尿病伤口微环境呈现出高血糖、细菌感染、氧化应激和持续炎症的恶性循环，对传统治疗方法构成巨大挑战。特别是血糖波动与活性氧（ROS）失调的相互作用，成为有效愈合的核心障碍，迫切需要能够同时调控血糖波动和ROS平衡的新型治疗策略。

面对这一临床难题，上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科团队在《Materials Today Bio》上发表了一项创新研究，开发了一种葡萄糖激活的自切换纳米酶-水凝胶平台，为糖尿病伤口管理提供了全新的解决方案。这项研究巧妙地将葡萄糖氧化酶（GOx）和胰岛素共同封装在双金属锌铁金属有机框架纳米颗粒（MOF(Zn-Fe)/GOx/INS）中，并将其嵌入ROS响应性水凝胶，构建了一种智能响应型伤口敷料。

研究人员主要运用了金属有机框架纳米颗粒的合成与表征、级联酶催化活性评价、体外抗菌和抗生物膜实验、ROS响应性水凝胶的制备与性能测试、糖尿病小鼠感染伤口模型评估以及转录组学分析等关键技术方法。其中动物实验使用了链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病ICR小鼠模型。

2.1. MOF(Zn–Fe)/GOx/INS的制备与表征

研究人员首先通过室温搅拌法合成了双金属MOF(Zn-Fe)。透射电子显微镜（TEM）图像显示该材料呈现纺锤状形态，表面光滑。能量色散X射线光谱（EDS） mapping证实了铁和锌元素在材料中的分布。X射线衍射（XRD）图谱显示材料为半结晶结构。X射线光电子能谱（XPS）分析进一步验证了锌和铁的成功掺入。随后，通过水相室温搅拌法将GOx和胰岛素加载到MOF(Zn-Fe)中，形成GI-M纳米颗粒。动态光散射（DLS）分析显示加载后流体动力学直径增加至约674.4纳米，傅里叶变换红外光谱（FTIR）也证实了GOx和胰岛素的成功封装。

2.2. MOF(Zn-Fe)/GOx/INS的体外级联反应

研究团队详细评估了GI-M的级联催化机制。在高葡萄糖条件下，固定的GOx催化葡萄糖转化为葡萄糖酸和H₂O₂，导致局部pH降低和H₂O₂浓度升高。这种酸性微环境随后触发MOF(Zn-Fe)的过氧化物酶样活性，催化H₂O₂产生有毒的•OH自由基，用于抗菌治疗。同时，释放的胰岛素有助于降低周围环境的葡萄糖水平，从而实现自激活级联反应。实验结果表明，GI-M以浓度依赖性方式消耗葡萄糖，并在酸性条件下有效产生•OH，在中性条件下促进O₂生成。

2.3. MOF(Zn-Fe)/GOx/INS的体外抗菌活性

通过CCK-8实验证实MOF(Zn-Fe)在HaCaT和HUVEC细胞中具有良好的生物相容性。抗菌实验显示，含GOx的材料在与葡萄糖共孵育时能引起95%以上的细菌死亡。扫描电子显微镜（SEM）图像显示处理后的细菌出现表面皱缩、凹陷形成和细胞壁严重破裂。活/死染色进一步证实了MOF(Zn-Fe)/GOx和GI-M优异的抗菌性能。在抗生物膜实验中，含GOx的组别显著破坏了生物膜结构，减少了生物膜生物量。

2.4. 负载GI-M的ROS响应性水凝胶的合成与表征

为解决GI-M局部滞留有限和缺乏按需释放策略的问题，研究人员开发了ROS响应性水凝胶。该水凝胶通过混合ROS响应性连接体TSPBA与聚乙烯醇（PVA）并掺入GI-M制备而成。扫描电子显微镜显示水凝胶具有多孔内部结构。傅里叶变换红外光谱证实了硼酸酯键的形成。流变学测试表明水凝胶具有优异的机械稳定性。在ROS模拟微环境中，GOx的释放速度显著快于PBS组，证明了水凝胶的ROS响应特性。生物相容性实验显示该体系具有优异的安全性。

2.5. GI-M@Gel在感染性糖尿病伤口中的有效性评价

在糖尿病小鼠感染伤口模型中，GI-M@Gel治疗组在第14天时伤口几乎完全愈合，而其他组仍存在脓肿形成和未愈合区域。伤口葡萄糖水平监测显示，GI-M@Gel处理的小鼠在24小时内葡萄糖含量显著降低。组织学分析显示GI-M@Gel组具有最厚的表皮和明显的胶原沉积。免疫荧光染色显示CD31表达最高，表明血管生成增强。同时，M2巨噬细胞（CD206⁺）比例显著增加，促炎细胞因子IL-6和TNF-α表达降低。

2.6. 通过RNA测序分析体内作用机制

转录组分析显示，治疗组显著上调了与血管生成和伤口愈合相关的基因（如Lgr6、Cldn1、Fzd5等），而下调了与炎症（Il1r1、Tlr5、Ptgs2）和凋亡（Fos、Ripk3、Twist2）相关的基因。基因本体（GO）富集分析表明差异表达基因主要富集于细胞增殖、迁移、血管生成和细胞外基质组织等通路。京都基因与基因组百科全书（KEGG）分析显示上调基因主要与组织再生和细胞发育相关，而下调基因与炎症反应和免疫反应有关。基因集富集分析（GSEA）证实炎症反应调节和活性氧代谢相关基因下调，而血管生成和皮肤发育相关基因上调。

这项研究成功开发了一种具有葡萄糖激活和自切换酶样活性的ROS响应性水凝胶，能够实现动态反馈调节的血糖控制和适应性多阶段治疗。该系统在高血糖条件下不仅通过•OH生成启动强效抗菌活性，还触发MOF框架自降解和按需胰岛素释放。体内实验结果证明该水凝胶能通过增强细胞增殖、迁移和血管生成来重塑不利的伤口微环境。该工作为设计能够进行全伤口阶段自适应调节的智能水凝胶提供了新策略，为感染性糖尿病伤口的管理提供了有前景的治疗替代方案。这种多功能平台的创新之处在于其能够根据微环境变化自主切换功能，真正实现了"智能"治疗的概念，为未来生物材料设计指明了方向。