《Nano Today》：Curcuma aromatica derived single-atom carbon dots with microenvironment responsible multi-enzyme activity for infected diabetic wound regeneration
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糖尿病伤口愈合率低与感染、氧化应激及炎症相关，本研究开发Fe SA@CDs纳米酶，通过Fe-N?催化中心实现pH响应式多酶活性模拟：酸性条件下产ROS抗菌，中性环境以SOD/CAT活性清除ROS抗炎，动态治疗策略使14天愈合率达92.3%。
胡晓琴|刘淑瑶|戴兰玲|文睿|罗斌|兰芳|吴瑶
四川大学生物材料国家工程研究中心，中国成都610064
摘要
糖尿病伤口愈合不良的原因归结为感染、氧化应激和炎症，这给临床带来了巨大的负担。传统的纳米酶疗法常常受到催化级联反应效率低下的限制，因为不同酶之间存在拮抗或竞争作用。为了解决这些问题，我们开发了一种由草药衍生的碳点负载铁单原子（Fe SA@CDs）组成的纳米酶，这种纳米酶能够以pH值依赖的方式模拟多种酶的活性，从而实现ROS的清除和生成，具备“智能切换”的治疗功能。在酸性条件下，它表现出类似过氧化物酶（POD）的活性（高达656.6 U/mg），用于生成ROS以发挥抗菌作用；在中性环境中，则表现出类似超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性，以清除体内ROS，减少氧化应激并缓解炎症。体内实验表明，Fe SA@CDs可以根据微环境的pH变化动态调整其治疗策略：在早期酸性阶段发挥强烈的抗菌作用，在中性阶段则转向抗炎和再生功能，从而在第14天时实现了92.3%的伤口愈合率。本研究展示了一种针对感染性糖尿病伤口的智能且响应微环境的纳米催化治疗策略。
引言
糖尿病是一种慢性代谢疾病，其特征是胰岛素作用受损，导致葡萄糖调节异常[1]。糖尿病患者经常出现皮肤溃疡，目前的临床干预措施仍不令人满意。原因是糖尿病伤口的高血糖微环境为细菌生长提供了天然的“温床”，增加了反复细菌感染的风险[2],[3]。同时，高血糖微环境通过引发代谢紊乱和线粒体功能障碍，使局部活性氧（ROS）水平升高至病理水平[4],[5]。过量的ROS会引发持续的氧化应激，进一步影响巨噬细胞的极化行为，并分泌大量促炎因子，导致糖尿病伤口的慢性炎症[6]。因此，如何有效清除细菌并调节炎症微环境仍然是感染性糖尿病伤口愈合过程中亟待解决的核心问题。
近年来，纳米材料在某些疾病的诊断、治疗和预防中得到了越来越多的应用[7],[8]。例如，为了满足糖尿病伤口修复中对抗菌和抗炎功能的迫切需求，研究人员开发了许多新型纳米催化材料[9],[10]。一方面，具有过氧化物酶（POD）类似活性的纳米催化剂可以生成外源性ROS，对细菌造成氧化损伤并发挥抗菌作用[11]；另一方面，模拟超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性的纳米催化剂可以在伤口部位清除多余的内源性ROS，恢复氧化还原平衡并减轻慢性炎症[12]。然而，当这些复杂的酶活性同时发生时，不同催化途径之间的拮抗或竞争效应可能会大大降低它们的整体治疗效果[13]。因此，精确调控纳米催化剂的多种酶样活性对于加速糖尿病伤口愈合至关重要。为了解决这一问题，提出了多酶启发式仿生学（MIB）的概念。该领域致力于开发能够模拟关键酶结构的仿生催化剂，以实现多种催化功能[14]。其中，单原子催化剂（SACs）具有接近100%的原子利用率和明确的活性位点，相比传统纳米催化材料具有显著优势[15]。特别是基于铁的SACs，如红细胞模板化的Fe-SAC纳米催化剂[16]，通过模仿辣根过氧化物酶（HRP）的铁活性中心，表现出优异的POD样活性，从而实现强效的广谱抗菌作用，并有效抑制生物膜的形成[17]。然而，目前对SACs的研究主要集中在通过调节金属中心的配位环境来增强其POD样活性，缺乏设计ROS清除能力的策略。这种片面的方法极大地限制了它们在抗炎治疗中的应用。
碳点（CDs）在生物医学领域展现出广泛的应用前景，这主要归功于其良好的亲水性、生物相容性和显著的抗氧化活性[18]。最近的研究表明，CDs是支持金属原子构建SACs的理想载体材料。例如，研究人员通过苯并蒽类配体辅助和三聚氰胺介导的热解活化等策略，成功地将单原子负载到CDs上[19],[20]。值得注意的是，许多传统中药富含天然抗氧化分子，如多酚和黄酮类化合物。通过水热碳化，这些化合物中的抗氧化基团（如羟基（-OH）、羧基（-COOH）和羰基（-C
O）可以转移到CDs表面，从而赋予其更强的抗氧化能力。例如，从金银花[22]和生姜[23]中提取的CDs已被证实具有SOD样活性。此外，这些草药衍生的CDs通常比传统CDs具有更多的亲水基团，为金属原子提供了更多的锚定位点，进一步增强了其在纳米酶设计和生物催化应用中的潜力。因此，设计和发展中药衍生的SACs有望将CDs的ROS清除能力与SACs的ROS生成功能结合起来，为感染性糖尿病伤口的治疗提供全面的解决方案。
在本研究中，我们使用了富含还原化合物的传统中药
Curcuma aromatica作为碳源，Fe
2+作为金属前体，制备了负载铁单原子的草药衍生碳点（Fe SA@CDs）。Fe的原子分散以及随后的Fe-N
4配位的形成归因于其与CDs表面功能基团的强螯合/复合作用。这种配位结构通过X射线吸收精细结构光谱（XAFS）得到了明确验证。酶模拟活性评估表明，Fe SA@CDs表现出pH值依赖的POD样活性，在酸性条件下可显著增强，并且在近红外光照下进一步增强。具体来说，Fe SA@CDs的POD样活性高达656.6 U/mg，主要归因于其表面的Fe-N
4位点。此外，CDs表面的抗氧化基团（-OH、-COOH和-C
O）也赋予了Fe SA@CDs优异的抗氧化性能，尤其是高SOD样活性（高达2341.9 U/mg）。由于这些多酶特性，Fe SA@CDs在感染性糖尿病伤口治疗中表现出独特的“微环境响应性功能切换”行为：在感染早期的酸性环境中，POD样活性占主导，用于生成ROS以抗菌；随着伤口愈合进入中后期，pH值逐渐趋于中性，Fe SA@CDs的抗氧化活性变得占主导，有效清除多余ROS，显著下调炎症细胞因子，促进血管生成，最终促进伤口愈合（图1）。通过实现智能的微环境驱动的动态功能调节，Fe SA@CDs在整个愈合过程中实现了有序的序贯治疗，为促进感染性糖尿病伤口的愈合提供了一种创新方法。
Fe SA@CDs的制备与表征
富含还原化合物的传统中药Curcuma aromatica常用于治疗炎症性疾病。本研究中，使用Curcuma aromatica粉末制备了碳点（CDs），并利用其表面的丰富基团作为锚定点，螯合Fe2+形成单原子结构。Fe SA@CDs的合成过程如图2a所示。
结论
总之，本研究成功制备了一种基于草药衍生碳点（Fe SA@CDs）的新型铁单原子纳米酶，该纳米酶整合了高效的pH响应多酶催化功能，为感染性糖尿病伤口的治疗提供了适应微环境的催化策略。多酶活性机制展示了明确的结构-功能分工和精确的病理靶向性：在酸性条件下，Fe-N?位点在近红外光照下表现出增强的活性
CDs的制备
将2克Curcuma aromatica粉末溶解在搅拌溶液中，剧烈搅拌12小时。然后将溶液加入反应釜中，在80℃下反应6小时。使用冷冻干燥方法将粉末产物冻干，最终得到CDs。
Fe SA@CDs的制备
将32毫克FeCl2溶解在20毫升去离子水中并搅拌。然后加入2克Curcuma aromatica粉末，剧烈搅拌12小时。再将溶液加入反应釜中，在80℃下反应6小时。
CRediT作者贡献声明
文睿：数据验证、数据整理。罗斌：撰写、审稿与编辑、资金获取、概念构思。刘淑瑶：数据验证、实验研究。戴兰玲：数据验证、数据分析。胡晓琴：初稿撰写、方法学设计、数据分析。兰芳：撰写、审稿与编辑、资金获取、概念构思。吴瑶：资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（资助编号32271394）、国家重点研发计划（资助编号2022YFC2406102）、四川国际科技合作/港澳台科技合作项目（资助编号2024YFHZ0352）、中央高校基本科研业务费以及四川省博士后创新人才资助计划的支持。
