多靶点水凝胶疗法：干扰慢性糖尿病伤口愈合过程中的AGEs–RAGE–ROS循环

《Materials Letters》：Multi-target hydrogel therapy to disrupt the AGEs–RAGE–ROS cycle in chronic diabetic wound healing

慢性糖尿病伤口（CDWs）因氧化应激、持续感染、炎症和微循环障碍难以愈合。本研究开发了一种基于Schiff碱反应的多功能水凝胶，由MnO?@PCA纳米颗粒与QCMC结合，并负载MoS?量子点。该水凝胶通过抗氧化、抑制AGEs/RAGE通路、促进血管生成和抗菌作用，显著加速CDWs愈合。动物实验证实其有效抑制细菌、减少炎症因子、促进胶原蛋白沉积和血管新生。水凝胶具有安全、可降解、易于制备的临床转化优势。

　　慢性糖尿病伤口（CDWs）是一种复杂的临床难题，其特征包括氧化应激、持续感染、炎症反应、缺血以及过量的晚期糖基化终产物（AGEs）积累。这些病理因素相互作用，形成一个恶性循环，严重影响伤口的愈合进程。研究表明，AGEs与它们的受体RAGE结合后，会激活多种炎症和氧化反应路径，进一步加剧伤口的病理状态。因此，开发一种能够多靶点调控糖尿病伤口微环境的治疗策略，对于改善CDWs的治疗效果具有重要意义。

为了应对这一挑战，研究人员设计了一种多功能水凝胶，该水凝胶通过席夫碱反应将富含醛基的MnO?@PCA纳米颗粒与季铵化壳聚糖羧甲基（QCMC）交联，同时引入了二硫化钼（MoS?）量子点。这种水凝胶不仅具备抗菌活性，还能够清除活性氧（ROS）、降低AGEs和RAGE的表达水平、缓解缺氧状态，并促进血管生成。通过体外和体内实验，研究团队验证了该材料在抑制细菌生长、减轻炎症反应、增强新生血管形成以及加速CDWs愈合方面的显著效果。该研究为糖尿病伤口的多靶点治疗提供了新的思路和策略。

在糖尿病患者中，慢性高血糖环境会促使葡萄糖及其代谢产物在伤口区域形成AGEs。这些物质难以降解，容易在组织中积累，进而与细胞表面的RAGE结合，激活下游信号通路，放大炎症反应并促进更多ROS的产生。ROS和炎症介质的积累又会进一步刺激AGEs的生成，形成一个持续增强的恶性循环，阻碍伤口的闭合。因此，打破这一循环是促进CDWs愈合的关键。该水凝胶通过同时干预AGEs和RAGE的表达，以及清除ROS，有效阻断了这一恶性循环，为糖尿病伤口的修复创造了更有利的微环境。

MnO?纳米颗粒作为一种广泛研究的纳米材料，因其酶模拟活性被广泛应用于CDWs的治疗。MnO?具有类似超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的催化功能，能够有效清除超氧阴离子（·O??）和过氧化氢（H?O?），并同时生成氧气，从而缓解伤口局部的缺氧状态，促进血管生成。此外，MnO?的降解产物可作为生理代谢中的必需微量元素，通过肾脏排出，从而降低潜在的生物毒性。PCA是一种广泛存在于植物中的生物活性化合物，具有强大的抗氧化作用，能够通过下调促炎细胞因子如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6）的表达来减轻炎症反应。PCA的分子结构中含有邻苯二酚基团和醛基，使其能够参与多种有机反应，成为设计新型生物活性材料的重要构建单元。在本研究中，通过将PCA的邻苯二酚基团与MnO?离子配位，合成了一种新型纳米颗粒，其表面保留了醛基，为后续的材料构建提供了反应位点。

为了进一步提升水凝胶的抗菌性能，研究团队将QCMC引入到材料设计中。QCMC是通过壳聚糖羧甲基（CMC）与缩水甘油基三甲基氯化铵（GTMAC）之间的环氧开环反应合成的。与天然CMC相比，QCMC中引入的正电荷季铵化氨基显著增强了其抗菌效果和生物相容性，使其在生物医学领域得到广泛应用。在水凝胶合成过程中，QCMC中未反应的氨基与纳米颗粒表面的醛基发生席夫碱反应，形成稳定的水凝胶网络。此外，水凝胶本身具备良好的物理特性，如优异的保水性和亲水性，有助于为CDWs的修复提供一个理想的微环境，同时保护伤口免受外界刺激。

为了增强水凝胶的治疗效果，研究团队进一步引入了MoS?量子点。MoS?具有促进血管生成的特性，能够通过其三维多孔结构实现持续的药物释放，延长治疗作用时间。水凝胶的多孔结构不仅增加了其比表面积，还促进了细胞的附着、增殖和迁移，这对于生物医学应用至关重要。此外，水凝胶的流变学特性表现出良好的可塑性，使其能够适应不规则、渗出严重且难以愈合的伤口，增加敷料与伤口的接触面积，从而提高治疗效果。

在评估水凝胶的抗氧化和产氧能力时，研究人员使用了荧光探针DCFH-DA来检测ROS的清除情况。实验结果显示，使用Gel@MoS?水凝胶的RAW 264.7细胞内ROS荧光强度显著降低，表明该材料具有强大的ROS清除能力。此外，通过氧敏感荧光探针[Ru(dpp)?]Cl?的检测，发现Gel@MoS?组的氧气含量明显高于其他组，进一步证明了该材料在清除ROS的同时能够生成氧气，从而改善伤口的营养供应，促进组织修复。水凝胶的抗氧化和产氧能力对于缓解糖尿病伤口的氧化应激具有重要意义，有助于恢复线粒体稳态，为伤口修复创造更有利的微环境。

为了进一步验证水凝胶对免疫反应的调控能力，研究团队通过免疫荧光染色和相关实验评估了其对巨噬细胞极化的影响。实验结果显示，Gel@MoS?组的巨噬细胞表现出显著增强的M2型极化特征，包括Arg-1的高表达和iNOS、IL-6、IL-1β的表达降低。这表明水凝胶能够有效调节巨噬细胞的免疫反应，促进抗炎状态的形成，从而改善CDWs的修复环境。这些结果与体外实验中观察到的抗炎和促血管生成效果相一致，进一步支持了水凝胶在多阶段促进CDWs愈合的潜力。

在抗菌性能方面，研究团队通过平板涂布法和活/死细菌染色实验评估了水凝胶对常见致病菌如金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抑制作用。实验结果显示，Gel和Gel@MoS?组的细菌生长受到显著抑制，而Blank和MoS?组则观察到大量菌落形成。这表明水凝胶的抗菌效果主要来源于其自身的结构和成分，而非外部添加的MoS?。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察细菌的形态变化，发现Gel和Gel@MoS?组的细菌细胞壁受到破坏，形态发生改变，而Blank和MoS?组的细菌则保持完整形态，进一步验证了水凝胶的抗菌能力。S. aureus由于其细胞壁中富含多孔网络的肽聚糖，缺乏外膜，因此更容易受到QCMC的渗透影响，导致更强的杀菌效果。

为了验证水凝胶在体内对CDWs的治疗效果，研究人员在糖尿病大鼠模型中进行了实验。通过尾静脉注射链脲佐菌素（STZ）建立糖尿病模型，并在背部皮肤上制造全层伤口，模拟CDWs的病理状态。所有成功建模的大鼠被随机分为四组：空白组、对照组、Gel组和Gel@MoS?组。经过14天的治疗后，Gel@MoS?组的伤口几乎完全愈合，而其他组的伤口愈合情况相对较差。此外，治疗后伤口的感染状态明显改善，早期愈合阶段的脓性分泌物显著减少。组织学分析显示，Gel@MoS?组的伤口直径明显缩小，表层几乎被上皮组织覆盖，伤口床中新生毛细血管丰富。Masson三色染色进一步证实了治疗组中胶原纤维沉积显著增加，且胶原排列更加有序，接近正常皮肤组织的结构。此外，对主要内脏器官的H&E染色显示，水凝胶未引起明显的全身毒性，表明其具有良好的生物安全性。

除了促进伤口愈合，水凝胶还表现出显著的抗炎和抗氧化作用。免疫荧光染色结果显示，Gel@MoS?组的CD31信号显著增强，表明其有效促进了血管生成。同时，AGEs和RAGE的表达水平明显降低，进一步验证了水凝胶在调控AGEs–RAGE–ROS恶性循环中的作用。通过抑制AGEs和RAGE的表达，水凝胶能够减少促炎细胞因子的释放，降低氧化应激水平，并促进伤口微环境从炎症状态向修复状态转变。这些变化为血管生成、胶原沉积和上皮再生创造了有利条件，从而加速CDWs的愈合过程。

本研究的水凝胶设计融合了多种生物活性成分，实现了对CDWs四个关键病理节点的多靶点干预：感染、氧化应激、缺氧和AGEs/RAGE失衡。此外，该材料具备良好的临床转化潜力。首先，其采用来源于壳聚糖的基质，这种材料在临床中较为常见，结合了可评估的天然小分子和可降解的无机纳米酶，能够在常温水环境中形成凝胶，无需使用有机溶剂，便于质量控制。其次，水凝胶的流变学特性使其能够适应不规则的伤口形态，提高与伤口的接触面积，从而增强治疗效果。此外，其制备过程简单、使用方便，且安全性高，具有广泛的应用前景。

综上所述，本研究开发的多功能水凝胶在糖尿病伤口的治疗中展现出多重优势。其抗菌、抗氧化、抗炎和促血管生成的特性使其能够有效干预CDWs的多个病理环节，打破恶性循环，为糖尿病伤口的修复提供一个理想的微环境。该材料不仅在体外实验中表现出优异的性能，而且在体内实验中也验证了其良好的治疗效果和安全性。未来，该水凝胶有望成为糖尿病伤口治疗领域的重要工具，为生物材料和组织工程的发展提供新的思路和方向。