《Acta Biomaterialia》：Neutrophil Extracellular Trap-Inspired Dynamic Hydrogel with Sonodynamic Amplification for Infected Wound Therapy
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摘要感染的皮肤伤口，尤其是那些被成熟生物膜和代谢静止的细菌所复合的伤口，通常会对抗生素单药治疗产生抗性。面对这样的挑战性情况，需要采用局部且具有抗耐药性的策略，同时解决病原体的清除和组织修复问题。在这里，我们开发了一种受中性粒细胞胞外陷阱（NET）启发的、对超声波有响应的纤维网状
摘要
感染的皮肤伤口，尤其是那些被成熟生物膜和代谢静止的细菌所复合的伤口，通常会对抗生素单药治疗产生抗性。面对这样的挑战性情况，需要采用局部且具有抗耐药性的策略，同时解决病原体的清除和组织修复问题。在这里，我们开发了一种受中性粒细胞胞外陷阱（NET）启发的、对超声波有响应的纤维网状动态水凝胶（POPP凝胶），它在可注射的基质中结合了细菌富集/捕获和声动力增强的杀菌效果。轻微阳离子化的卟啉接枝聚（嘧啶）纳米颗粒（POPP NPs）嵌入到氧化透明质酸-苯硼酸（OHA-PBA）的动态交联网络中，形成一种具有高界面暴露性和对LPS/多糖丰富感染微环境黏附性的纳米纤维网络结构。在超声波激活下，POPP NPs生成活性氧，并与电荷介导的膜扰动协同作用，从而实现对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的广谱杀菌效果，包括那些嵌入生物膜和耐药的菌株。OHA-PBA网络还赋予了凝胶剪切稀化性能、快速自我修复能力、贴合伤口的能力以及保持成纤维细胞活力和迁移性的特点。在鼠的全层感染伤口和大鼠的深二度烧伤感染模型中，超声波激活的POPP凝胶显著减少了细菌负荷，加速了伤口闭合，并促进了组织的成熟重建，表现为持续的上皮再生、有序的胶原沉积和炎症减轻。总体而言，这种受NET启发的声动力水凝胶为针对顽固性感染伤口的局部抗菌生物材料提供了模块化设计框架。
重要性声明
带有成熟生物膜的感染皮肤伤口往往对抗生素具有抗性。我们借鉴中性粒细胞胞外陷阱的原理，开发了一种可注射的声动力水凝胶（POPP凝胶），该凝胶通过纳米纤维阳离子网络捕获细菌，并在超声波激活时将其杀死。此外，这种凝胶还能支持成纤维细胞的功能和伤口愈合。在鼠的感染伤口和烧伤模型中，它减少了细菌负荷并加速了组织修复。这项工作为顽固性感染伤口的局部治疗提供了一种策略。
引言
皮肤伤口的愈合，特别是在细菌感染的伤口中，是一个复杂的 processo，涉及止血、炎症、细胞增殖和组织重塑 [1,2]。因此，为感染伤口设计敷料需要在功能活性、生物安全性和免疫调节之间取得平衡 [3]。在干扰这一修复过程的因素中，细菌感染是皮肤伤口的常见并发症，也是影响及时愈合的主要障碍 [4]。抗生素在许多情况下具有临床疗效，但完全清除细菌往往很困难 [5]。在高细菌负荷、成熟生物膜以及存在低代谢亚群的情况下，这种限制更为明显，残留细菌可能在治疗停止后持续存在并导致复发，最终延缓愈合 [6,7]。同时，多重耐药菌株的不断增加进一步降低了治疗可靠性 [8]。安全问题也限制了高剂量的抗生素治疗方案，包括抗生素相关的细胞毒性和对宿主微生物群的干扰 [9]。总体而言，这些挑战促使人们开发出能够在提供局部抗菌保护的同时支持组织再生的敷料 [10]。抗菌水凝胶在这方面受到了持续关注，因为它们能够保持湿润的微环境，提供机械柔顺性，并在伤口界面实现与组织的广泛接触 [11,12]。
为了赋予水凝胶抗菌活性，当前的设计通常包含非抗生素成分，如阳离子聚合物、金属离子或声敏剂 [13,14]。阳离子基团通过静电相互作用破坏细菌膜。声动力疗法是一种有用的抗菌策略，因为超声波可以比光线更深入组织，并且可以外部控制其应用 [15,16]。在超声波照射下，声敏剂生成活性氧（ROS），这些活性氧会损害细菌膜并削弱生物膜结构。这种机制独立于传统抗生素，因此可能对生物膜相关细菌和耐抗生素的细菌群体有效 [17,18]。因此，声动力疗法为伤口感染治疗提供了一种可控的方法，尤其是在生物膜形成和细菌耐受性降低标准抗菌疗法效果的情况下。然而，许多抗菌水凝胶仍然依赖将这些成分物理混合到密集且基本静态的网络中 [19,20]。在这样的系统中，活性部位难以被有效利用，细菌接触通常仅限于表面区域 [21]。此外，阳离子剂和声敏剂通常以单独的小分子或短寡聚物的形式递送。它们可能在生理介质中发生聚集诱导的淬灭或快速失活，这使得抗菌效力、声动力效率和细胞相容性之间的平衡变得复杂 [22,23]。同时，感染微环境富含脂多糖（LPS）和多糖丰富的基质 [24]。在这些条件下，仅靠静电吸附往往不足以富集和限制细菌或生物膜，而鬆散保留的活性物质可能会扩散到周围的健康组织中 [25]。因此，这些挑战促使了一种模仿先天免疫系统的设计策略，其中中性粒细胞胞外陷阱（NET）形成密集的带正电的纤维网络，捕获病原体及其基质，并在局部集中效应分子，从而在受限的微环境中实现有效清除 [26,27]。将这种受NET启发的纤维捕获和局部放大原理转化为水凝胶系统，可能会增强空间接触和原位保留能力，从而改善杀菌效果和安全性之间的平衡。
因此，理想的抗菌水凝胶应结合稳定的非抗生素杀菌单元、温和的刺激激活性能、增强细菌捕获和接触能力的结构，以及在感染或生物膜区域优先富集细菌的能力 [[28], [29], [30], [31]]。在这里，我们通过在温和条件下动态交联带正电的POPP纳米颗粒与PBA修饰的氧化透明质酸（OHA-PBA）（图1A），开发了一种受NET启发的纤维网状阳离子聚（嘧啶）声动力水凝胶（POPP凝胶）。所得水凝胶可注射且具有自我修复能力，提供了有利于界面接触和细菌捕获的纳米纤维网络结构。TCPP接枝在POTP-NH?上，实现了超声波激活的ROS生成，而阳离子骨架则干扰细菌膜，PBA基团促进了在LPS和多糖丰富的生物膜区域的富集（图1B）。随后，我们系统评估了POPP纳米颗粒和POPP凝胶的物理化学和网络行为，以及抗菌效果、抗性演变和细胞相容性。此外，还在金黄色葡萄球菌感染的全层伤口和深二度烧伤模型中，评估了POPP凝胶在声动力疗法下的治疗效果（图1C）。
章节摘录
材料
透明质酸（HA，分子量400-800 kDa）、二甲基乙炔二羧酸、甲醛溶液（37%）、冰醋酸、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、甲醇、过氧化氢钠、二氯甲烷（DCM）、3-氨基苯硼酸、1,8-辛二胺、DSPE-mPEG2000、四（4-羧基苯）卟啉（TCPP）、1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC·HCl）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、LB肉汤、LB琼脂和胎牛血清（FBS）均从商业供应商处购买。
聚合物构建块和声动力POPP纳米颗粒的合成与表征
声动力聚（嘧啶）构建块分两步制备。通过一步聚缩合法获得POTP，1H NMR（CDCl?）显示嘧啶相关的质子在3.48和4.08 ppm处有信号，这与设计的骨架一致（图S1）。GPC测得的表观M?约为18300 g/mol，?为1.87，这符合逐步聚合的特点，主要用作批次一致性指标。然后通过乙烯二胺进行末端基团的功能化。
结论
总之，我们通过将轻微阳离子化的、卟啉接枝的聚（嘧啶）纳米颗粒整合到动态的OHA-PBA网络中，开发了一种对超声波有响应的、受NET启发的纤维网状水凝胶（POPP凝胶）。该设计结合了感染部位的细菌富集/捕获、超声波增强的ROS生成和电荷辅助的膜破坏机制，实现了非抗生素的广谱抗菌效果，包括对生物膜相关和耐药菌株的杀菌效果。
伦理声明
本研究遵循ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。本研究得到了东北师范大学的批准。（批准编号[2024]y.n.n.[0066】
利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
CRediT作者贡献声明
Yongchang Tian：撰写——原始草稿，研究，数据整理。Rong Zhang：验证。Xingjun Zhao：验证，数据整理。Yahya E. Choonara：撰写——审稿与编辑。Chunsheng Xiao：撰写——审稿与编辑，监督。Li Chen：撰写——审稿与编辑，监督，资源管理，项目申请。
Yongchang Tian|Rong Zhang|Xingjun Zhao|Yahya E. Choonara|Chunsheng Xiao|Li Chen
