《Biomaterials》：Pathology-driven catalytic nanozyme–integrated adhesive hydrogel disrupts the hyperglycemia–ROS–hypoxia loop to accelerate vascularized fracture healing in diabetes
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摘要糖尿病会因持续的高血糖、过量的活性氧、组织缺氧以及慢性炎症等病理微环境因素，严重阻碍骨折愈合，这些因素会共同抑制血管生成和骨形成。目前大多数生物材料策略仅针对单一病理因素，因而无法打破导致组织功能障碍的相互关联的代谢链。在此，我们开发了一种基于病理驱动的催化纳米酶整合型粘附水
摘要
糖尿病会因持续的高血糖、过量的活性氧、组织缺氧以及慢性炎症等病理微环境因素，严重阻碍骨折愈合，这些因素会共同抑制血管生成和骨形成。目前大多数生物材料策略仅针对单一病理因素，因而无法打破导致组织功能障碍的相互关联的代谢链。在此，我们开发了一种基于病理驱动的催化纳米酶整合型粘附水凝胶（Gel-FQG），可同时调节糖尿病骨折中的高血糖、氧化应激、缺氧及免疫失衡问题。Gel-FQG将负载葡萄糖氧化酶的Fe3+-槲皮素纳米酶融入动态席夫碱水凝胶网络中，兼具良好的组织粘附性、可注射性以及持续的催化活性。通过依次实现葡萄糖氧化和过氧化氢分解，Gel-FQG能够消耗过量葡萄糖、清除活性氧并产生氧气，从而打破高血糖–活性氧–缺氧的恶性循环。体外实验表明，Gel-FQG可减轻氧化应激和缺氧状况，通过抑制TNF-α/NF-κB/HIF-1α信号通路，促使巨噬细胞向具有再生能力的M2表型转变，并在高血糖环境下增强骨形成和血管生成能力。在糖尿病大鼠股骨骨折模型中，局部植入Gel-FQG可显著加速血管化骨再生与骨折愈合。这些研究结果证明，Gel-FQG能够主动改变糖尿病骨折的微环境，为糖尿病患者的骨骼修复提供了一种极具前景的策略。
引言
糖尿病是一种常见的慢性代谢性疾病，截至2017年全球约有4.25亿人患病，预计到2035这一数字还将上升至6.29亿以上[1]。除了全身性的代谢紊乱外，糖尿病还会严重损害骨骼健康，显著增加骨折风险并延缓骨愈合进程[2]、[3]。尽管已有许多用于骨再生的生物材料被开发出来，但大多数都无法有效应对恶劣的糖尿病微环境，因而限制了其在糖尿病患者中的治疗效果[4]、[5]。鉴于微环境功能异常与糖尿病中骨修复障碍之间存在密切的因果关系[6]，研发能够调控这一病理环境的针对性策略至关重要[7]。
糖尿病的骨微环境受到持续高血糖、过量活性氧积累带来的氧化应激[8]、慢性缺氧[9]以及持续性炎症[10]等多种因素的复杂影响。高血糖诱发的活性氧产生与缺氧之间的恶性循环，会持续引发细胞功能障碍和炎症反应[11]。在高血糖状态下，升高的代谢需求会增加氧气消耗，进而加剧局部缺氧，这又会损害线粒体功能并进一步促进活性氧的产生[12]。这种自我强化的循环会加剧氧化应激，诱发细胞凋亡，同时抑制血管细胞的招募和迁移，导致血管功能受损、新生血管生成减少，最终阻碍骨再生[13]。此外，高血糖还会通过非酶促糖基化反应加速晚期糖基化终产物的形成，进一步加重氧化损伤和促炎信号传导[14]。由此产生的炎症环境会使巨噬细胞向促炎性的M1表型偏移，延缓其向具有修复功能的M2表型的转变，破坏骨形成和血管生成所需的免疫平衡，从而阻碍有效的骨修复[15]、[16]。因此，针对性地调控糖尿病的骨微环境，是推动糖尿病患者实现血管化骨再生的重要治疗策略[17]。
近期的药物递送系统试图通过抑制炎症、消除活性氧或调控巨噬细胞表型等方式来调节糖尿病的骨微环境，从而为骨再生创造更有利的条件[18]。尤其是粘附水凝胶，因其具备良好的组织粘附性、机械支撑作用以及适合局部药物递送的特性，而受到了广泛关注[19]。例如，一种可响应多种刺激的粘附水凝胶，能够同时包载白介素-10和BMP-2，可在骨缺损部位延长药物的滞留时间，显著改善糖尿病骨缺损的愈合情况[20]。另有研究显示，一种可用于调控α-硫辛酸释放的可注射水凝胶，能够减轻巨噬细胞向促炎性M1表型的转变，这对于在糖尿病条件下保护骨细胞功能、促进骨折修复具有重要意义[21]。在另一项研究中，一种负载atsttrin的可注射水凝胶能够靶向调控TNF-α信号通路，从而减轻炎症反应，最终促进糖尿病骨折的愈合[22]。此外，我们之前的研究也表明，能够响应活性氧信号的粘附水凝胶，若能释放芦丁，可有效减轻氧化应激并加速糖尿病骨折的修复。尽管取得了这些进展，但现有的大多数策略仍主要针对炎症或氧化应激等单一病理因素，因此无法打破糖尿病骨病特征性的高血糖–活性氧–缺氧恶性循环[23]。设计出一种能够同时打破这一病理循环的单一粘附水凝胶，虽然难度极大，但却至关重要。
为克服这些局限，我们开发了一种基于病理驱动的催化纳米酶整合型粘附水凝胶（Gel-FQG），用于糖尿病骨折修复，该水凝胶能够将多种与疾病相关的代谢异常直接转化为促进再生的信号（见图1）。该系统将负载葡萄糖氧化酶的Fe3+-槲皮素纳米酶融入由氨基改性明胶和二醛淀粉构成的动态席夫碱水凝胶网络中。槲皮素因其抗氧化特性以及抑制非酶促糖基化反应的能力而闻名，其表面的多酚基团可为纳米酶的组装提供稳定的支架[24]。当水凝胶被植入体内后，它会紧密粘附在骨表面，提供机械支撑，同时还会发生pH响应性降解，从而实现FQG纳米酶的持续释放。这些纳米酶可依次催化葡萄糖的氧化，生成过氧化氢，随后再分解过氧化氢以释放氧气并清除活性氧，从而有效打破高血糖、氧化应激和缺氧的病理循环。通过这些协同作用，Gel-FQG能够改变糖尿病骨微环境中的高血糖、氧化及缺氧状况，通过TNF-α/NF-κB/HIF-1α信号通路促使巨噬细胞向M2表型转变，实现免疫调节，进而显著加速糖尿病大鼠模型中的血管化骨折愈合。这种多功能生物材料为解决糖尿病中骨再生的多重障碍提供了有效的策略。
章节节选
糖尿病的骨微环境以缺氧、氧化还原失衡及炎症激活为特征
为探究糖尿病如何改变与骨折修复障碍相关的免疫-基质环境，我们对来自糖尿病组（DB）和野生型组（WT）的小鼠骨髓来源细胞的单细胞RNA测序数据进行了分析（GSE212726）[25]。无监督UMAP分析明确了在转录水平上存在差异的免疫细胞群和基质细胞群（见图2a），成分分析则显示，炎症性免疫细胞亚群的比例明显升高，而具有修复功能的基质细胞则相应减少
结论
在本研究中，我们开发了一种基于病理驱动的催化纳米酶水凝胶（Gel-FQG），可用于主动调控糖尿病的骨微环境并促进骨折愈合。通过将葡萄糖氧化酶和Fe–槲皮素纳米酶整合到粘附水凝胶基质中，Gel-FQG能够同时消耗过量葡萄糖、清除活性氧并产生氧气，从而针对糖尿病骨缺损中高血糖、氧化应激和缺氧这三种相互关联的病理特征发挥作用。
实验部分/方法
材料： 所有的材料和试剂均购自中国上海的Aladdin公司，包括Gel（M299511-5g）、2-氯乙胺盐酸盐（Aladdin，C107599）、槲皮素（Aladdin，Q104838-10g）；CCK-8试剂盒则购自中国上海的贝泰斯生物技术有限公司。OPN和Runx2抗体购自中国武汉的Proteintech公司，CD206和INOS抗体则购自中国上海的Abcam公司。此外，我们还购买了包括β-Actin、Calcein-AM在内的细胞染色试剂
CRediT作者贡献说明
周雷：撰写原始稿件、获取研究资源、开展实验研究、争取研究资金。王磊：验证实验结果、提供研究指导、开发相关软件、优化研究方法、争取研究资金。于辉：开展实验研究、争取研究资金、负责数据整理工作。江桂勇：提供研究指导、开发相关软件、协调研究资源。何卓轩：负责数据整理、参与概念设计工作。胡宇鹏：开展实验研究、进行正式数据分析。肖天华：提供研究指导、协调研究资源、负责项目管理工作。娄艾菊：协调研究资源、争取研究资金。梁海峰：开展实验研究、处理研究数据
致谢
Y.C、H.L、T.X和A.L对这项研究做出了同等程度的贡献。本研究得到了以下机构的财政支持：中国国家自然科学基金委员会（项目编号：110205613、32471431）、广东省自然科学基金（项目编号：2025A1515010476、2025A1515011845）、广东省医学研究基金会（项目编号：A2024661），以及广州市属学校（研究院）企业联合资助项目（项目编号：SL2023A03J01202）。
余采|梁海峰|肖天华|娄艾菊|何卓轩|胡宇鹏|于辉|江桂勇|周雷|王磊
中国广东省广州市510150，广州医科大学附属第三医院，广东省重大产科疾病重点实验室，广东省脊柱疾病防治重点实验室，广东省妇产科学临床医学研究中心
