作为左氧氟沙星递送载体的生物活性谷胱甘肽修饰羧甲基纤维素水凝胶在金黄色葡萄球菌感染伤口治疗中的应用

《International Journal of Pharmaceutics》：Bioactive glutathione-modified carboxymethyl cellulose hydrogels as levofloxacin delivery platforms for the Staphylococcus aureus-infected wounds management

　　

摘要

细菌感染会严重阻碍伤口愈合，而现有的治疗策略由于抗菌效果不佳且可能存在生物毒性而显得力不从心。本研究以谷胱甘肽改性的羧甲基纤维素（CMC-GSH）和牛血清白蛋白（BSA）作为基质，制备出一种新型多功能水凝胶（CGBA^gel）。左氧氟沙星被选作抗菌剂，并封装在CGBA^gel中，从而形成了LEV@CGBA^gel。研究表明，LEV@CGBA^gel具有优良的物理化学性质，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有强大的广谱抗菌活性，同时还具备出色的生物相容性、极低的细胞毒性，以及良好的止血和黏附性能。在金黄色葡萄球菌感染的全层皮肤伤口小鼠模型中，LEV@CGBA^gel几乎完全清除了细菌，显著加速了伤口闭合，14天时的闭合率为99.9?±?0.1%，同时还促进了皮肤组织的再生。从机制层面来看，LEV@CGBA^gel通过抑制促炎细胞因子（TNF-α、IL-6）来减轻局部炎症，通过上调VEGF和CD31来促进血管生成，同时通过增加胶原蛋白沉积来推动细胞外基质的重塑。体内的安全性评估表明，LEV@CGBA^gel不会引发全身性、血液系统、肝脏或肾脏的毒性反应。总体而言，LEV@CGBA^gel兼具多种伤口愈合功能与优异的生物安全性，其在治疗细菌感染性伤口方面具有巨大的临床应用潜力。

引言

皮肤作为人体最大的器官，既是重要的物理屏障，也是免疫屏障（B?hm等人，2025；Furman等人，2025），能够保护机体免受外部病原体及环境因素的侵害（Oh和Voigt，2025）。然而，创伤、手术、烧伤或慢性疾病都可能破坏皮肤的完整性，从而导致伤口形成。在正常生理状态下，伤口愈合会按照止血、炎症、增殖和伤口修复四个相互关联的阶段有序进行（Ukaegbu等人，2025）。这一愈合过程依赖于免疫细胞、细胞因子、生长因子以及细胞外基质成分之间的协同作用，才能恢复组织的结构和功能。但细菌感染是伤口愈合过程中的常见并发症，它会扰乱这一复杂的愈合过程，给伤口处理带来巨大挑战（Andalib等人，2023）。最常见的致病菌包括金黄色葡萄球菌（Zhao等人，2025）、铜绿假单胞菌（Yamberla等人，2025）以及链球菌（Olesk等人，2024）。这些病原体会在伤口处形成结构化的生物膜群落，从而增强其对抗菌药物的抵抗力，同时帮助其逃避宿主的免疫防御机制。例如，金黄色葡萄球菌会利用MSCRAMMs蛋白实现附着，并分泌α毒素来损害宿主组织（Sedaghat等人，2021）；铜绿假单胞菌则会形成致密的生物膜，并通过III型分泌系统杀死宿主细胞（Goldberg等人，2022）。这些机制共同干扰了正常的愈合过程。此外，细菌的群体感应系统，比如金黄色葡萄球菌中的辅助基因调控系统，还会通过抑制角质形成细胞的代谢来进一步阻碍伤口愈合（Bagood等人，2025）。

尽管在伤口护理方面已经取得了不少进展，包括清创处理（Mayer，2024）、抗菌敷料的使用（Zhu等人，2025）以及抗生素的应用（Sun等人，2025），但细菌感染的临床控制效果仍然不尽如人意。传统疗法主要针对单一病原体，未能充分考虑伤口微生物群内的复杂相互作用，这类治疗还可能破坏有益的共生微生物，进而加剧感染的发展。与此同时，一些新兴的疗法，如基于纳米材料的抗菌制剂（Liu等人，2026）、噬菌体疗法（Yang等人，2025）、益生菌方案（Umekar等人，2025）以及智能伤口敷料（Yasmin等人，2026），在对抗细菌感染以及促进伤口愈合方面展现出了良好的前景。不过，这些疗法的临床应用仍受到潜在生物毒性以及难以精准适配不同形状和大小的伤口等问题的限制。

鉴于上述种种难题，以天然产物为基础的水凝胶成为了修复感染伤口的极具潜力的候选材料（Qi等人，2025）。尤其是羧甲基纤维素水凝胶，因其出色的生物相容性（Zhong等人，2025）、可降解性（Ye等人，2025）以及维持湿润伤口微环境的能力（Panwar等人，2023），而备受关注。另外，牛血清白蛋白作为一种天然蛋白质，能够促进细胞增殖、胶原蛋白沉积以及组织重塑，从而加速伤口愈合（Purohit等人，2023）。正是受到这些优势的启发，本研究开发出一种新型多功能水凝胶，该水凝胶以谷胱甘肽改性的羧甲基纤维素钠和BSA作为复合基质制成（如图1所示）。随后，将广谱抗菌剂左氧氟沙星封装到该水凝胶中，形成了名为LEV@CGBA^gel的新型药物水凝胶，用作左氧氟沙星的局部递送载体。这种水凝胶不仅具有出色的生物安全性、强大的组织黏附性以及快速的止血能力，还能灵活适应不同形状和大小的伤口。由于其能持续发挥对病原菌的抗菌作用，LEV@CGBA^gel可以有效消除细菌定植并减轻局部炎症。这些优异的特性使得LEV@CGBA^gel能够显著促进组织再生，加速金黄色葡萄球菌感染伤口的愈合，为其在感染伤口治疗领域的临床应用奠定了基础。

章节要点

材料

牛血清白蛋白（BSA）、谷胱甘肽（GSH）、羧甲基纤维素钠（CMC-Na）、四臂聚乙二醇马来酰亚胺（4-arm-PEG-Mal）以及4-(4, 6-二甲氧基-1, 3, 5-三嗪-2-基)-4-甲基吗啉氯化物（DMTMM）均购自中国北京的InnoChem公司。pH值为5.5、浓度为100?mmol/L的2-吗啉乙烷磺酸缓冲液则来自中国福建的Phygene Biotechnology Co, Ltd公司；浓度为0.1?mol/L、pH值为5.5的2-吗啉乙烷磺酸缓冲液则购自福建Sains公司。

CMC-GSH的合成与表征

作为一种凝胶基质，CMC-GSH是通过CMC-Na链上的羧基与GSH分子中的氨基发生酰化反应而制得的（见图1A）。通过FTIR光谱分析了所制备聚合物中的官能团信息。对于CMC-Na来说，约3400?cm?¹处的宽峰对应于–OH键的伸缩振动，而约1600?cm?¹和约1420?cm?¹处的峰则分别对应于羧酸根（–COO?）基团的非对称伸缩和对称伸缩振动。

结论

本研究成功制备出一种用于治疗金黄色葡萄球菌感染伤口的多功能LEV@CGBA^gel。该水凝胶具有优良的物理化学性质、强大的抗菌活性、较低的细胞毒性、良好的生物相容性，同时在体外实验中还能促进细胞迁移。在小鼠伤口模型中，它能够清除细菌、加速伤口闭合和组织再生。从机制层面来看，它通过降低TNF-α和IL-6的水平来减轻炎症，通过上调VEGF和CD31的表达来促进血管生成，同时还有助于胶原蛋白的沉积。

作者贡献说明

王天宝：可视化分析、验证、软件使用、资源获取、方法设计、实验研究、正式数据分析。杨雅琴：验证、软件使用、资源获取、方法设计、实验研究。卓雅：可视化分析、验证、软件使用、资源获取、方法设计、实验研究。李爱辉：软件使用、资源获取、方法设计、实验研究、正式数据分析。司长云：软件使用、资源获取、方法设计、实验研究。王艳萍：项目监督。侯学燕：文章撰写——审稿与编辑、文章撰写——初稿编写。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了河南省自然科学基金的资助（项目编号：252300423175）。

王天宝|杨雅琴|卓雅|李爱辉|司长云|王艳萍|侯学燕