整合O2与H2气体治疗通过微针辅助光催化水分解加速糖尿病全层皮肤创面愈合

《Advanced Science》：Integrated O2 and H2 Gas Therapy via Microneedle-Assisted Photocatalytic Water Splitting for Accelerating Diabetic Full-Thickness Skin Wound Healing

　　

摘要翻译：糖尿病中受损的创面愈合与细胞铁死亡密切相关。微针辅助气体治疗可对铁死亡进行分子调控，是加速糖尿病创面愈合的一种有前景的策略。迄今为止，O₂和H₂气体治疗一直是独立进行的，从未整合到单一系统中。它们的协同作用是否以及如何实现仍然是一个决定性挑战。在此，研究人员提出了一种整合O₂和H₂气体治疗的概念，并通过制备一种产气微针材料加以验证。研究人员合成了Platinum@MIL-101(Fe)-NH₂@磷钨酸（PMP）纳米颗粒，作为可见光驱动的光催化剂，用于H₂和O₂的共析出。合理设计的空间分离结构提高了其在生理条件下的光催化效率。研究人员进一步将PMP纳米颗粒与双层甲基丙烯酰明胶（GelMA）/PMP复合微针（记为GPM微针）结合。所获得的GPM微针能够经皮递送PMP纳米颗粒，实现整合的O₂和H₂气体治疗，并展现出良好的生物相容性和促再生效果。整合O₂和H₂气体治疗的机制被确定为TNFAIP3/hnRNPA1泛素化/铁死亡信号轴，首次建立了与铁死亡的直接联系。总之，这项研究为糖尿病创面管理提供了一种变革性概念和一种具有明确分子机制的靶向铁死亡的微针材料。

论文解读文章

一、研究背景与问题

糖尿病创面愈合受损是全球性的医疗挑战，每年影响超过1860万新确诊患者。糖尿病创面以愈合周期延长和细菌感染风险增加为特征，可能导致截肢甚至死亡。尽管已有大量研究致力于解决这一挑战，但临床治疗方案仍不理想。铁死亡是一种铁依赖性的、非凋亡形式的调节性细胞死亡。Jin等人对糖尿病患者的皮肤组织进行单细胞组学分析，发现内皮细胞中存在过量铁积累和升高的铁死亡水平，表明铁死亡是糖尿病创面愈合受损的潜在诱因。近年来，研究者开发了系列靶向铁死亡的生物活性材料以加速糖尿病创面愈合，验证了铁死亡是一个有前景的治疗靶点。

氧气（O₂）和氢气（H₂）气体治疗因在生物材料开发和机制研究方面取得显著进展而备受关注。然而，目前的文献调研表明，O₂和H₂气体治疗的研究一直独立进行，从未被整合到单一系统中，两者的协同效应长期被忽视，限制了其在糖尿病创面愈合中的应用。因此，开展整合O₂和H₂气体治疗的概念验证研究，并阐明其分子机制，具有重要的科学意义和临床转化价值。该论文发表在《Advanced Science》。

二、研究内容与结论概述

针对上述研究空白，研究人员不仅建立了整合O₂和H₂气体治疗的概念，还构建了用于O₂和H₂共生成和共递送的治疗平台。通过水热反应合成了铂（Pt）掺入的MIL-101(Fe)-NH₂金属有机框架（PM纳米颗粒），随后包覆磷钨酸（PTA）层获得PMP纳米颗粒。得益于空间分离的结构设计，PMP纳米颗粒通过光催化全解水高效生成O₂和H₂。为解决纳米颗粒递送效率不足的问题，将PMP纳米颗粒与明胶甲基丙烯酰（GelMA）微针结合，获得双层复合微针（GPM微针），实现经皮递送和整合气体治疗。在糖尿病大鼠全层皮肤缺损模型中，GPM微针联合可见光照射显著加速创面愈合，效果优于商业敷料。机制研究表明，整合O₂和H₂气体治疗通过下调TNFAIP3的RNA表达，抑制hnRNPA1的泛素化依赖性降解，从而抑制细胞铁死亡，首次建立了与铁死亡相关的TNFAIP3/hnRNPA1泛素化/铁死亡信号轴。

三、主要关键技术方法

本研究采用多项关键技术。样本来源方面，糖尿病大鼠模型由Sai-Mei Biotechnology Co., Ltd.（武汉，中国）提供的Sprague-Dawley（SD）大鼠建立。主要技术包括：光催化剂PMP纳米颗粒的合成与表征（扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱、光致发光光谱等）；光催化产氢产氧性能评价（气相色谱）；密度泛函理论（DFT）计算（VASP软件包）；GPM微针制备及体外释药、皮肤穿刺实验；糖尿病SD大鼠全层皮肤缺损模型建立与创面愈合评估；RNA测序及生物信息学分析；蛋白质印迹法、实时荧光定量PCR、免疫共沉淀（Co-IP）、质谱分析、泛素化检测等分子生物学手段。

四、研究结果

2.1 具有空间分离结构的PMP纳米颗粒的合成
通过SEM和TEM观察，MIL和PMP均呈现典型的八面体结构。Pt纳米颗粒被封装在PMP内部，PTA负载于表面。XRD、FT-IR、XPS和TG等表征证实了PMP纳米颗粒的成功合成，且具有更强的水结合能力和更大的比表面积，有利于光催化全解水。

2.2 PMP纳米颗粒催化全解水
UV-vis DRS显示PMP具有更宽的吸收范围和更窄的带隙（1.479 eV vs. 1.671 eV）。EIS和i-t曲线表明PMP具有更高的光电流密度和更低的阻抗。PL和TRPL测试证实PMP具有更低的电子-空穴复合率和更长的平均荧光寿命（1.241 ns vs. 0.639 ns）。气相色谱测得PMP的H₂和O₂产率分别达到22.43 ± 3.78和10.99 ± 1.64 μmol·h^-1·g^-1，较MIL分别提高4.3倍和12.2倍。

2.3 全解水的机制解析
DFT计算表明，PMP具有更负的水吸附能（-0.26 eV vs. -0.022 eV）。对于析氧反应（OER），PMP的决速步吉布斯自由能为1.649 eV，低于MIL的1.863 eV。空间分离结构使光生电子迁移至内部Pt（析氢反应中心），空穴迁移至外部PTA（析氧反应中心），有效抑制电子-空穴复合。

2.4 PMP负载GP-n水凝胶的制备
制备了四种不同PMP含量的GPM水凝胶（GP-n）。SEM显示冻干水凝胶具有多孔结构。随着PMP含量增加，水凝胶的亲水性增强、弹性模量降低（从99.63 ± 17.62 kPa降至6.29 ± 1.37 kPa）、平衡溶胀率升高，有利于吸收创面渗出物。

2.5 生物相容性GPM微针的制备
采用双层设计，尖端层含GP-0.5，基底层为GP-0。微针尖端最大承载力为0.122 N，超过0.098 N的穿透阈值，可有效刺入小鼠皮肤。体外释药实验表明活性成分在2 h内快速释放，12 h达到平台期。SD大鼠皮下植入实验显示GPM组炎症细胞较少，CD45、CD80和CD206阳性率低，血液生化指标和脏器H&E染色无异常，证实良好的组织相容性和血液相容性。

2.6 GPM微针体内加速糖尿病创面愈合
在糖尿病SD大鼠全层皮肤缺损模型中，GPM+Vis组愈合最快，第6天创面闭合率达72.5% ± 2.5%，显著高于商业3M敷料组（62.7% ± 2.8%）。H&E染色显示GPM+Vis组在第6天炎症细胞少，第18天皮肤结构更成熟，毛囊更丰富。

2.7 GPM微针的多重促再生活性
免疫荧光染色显示，GPM+Vis治疗显著降低氧化应激标志物DCFH-DA和缺氧标志物HIF-1α的表达，抑制M1型巨噬细胞极化（iNOS阳性）并促进M2型极化（CD206阳性），同时促进细胞增殖（Ki67）、血管生成（CD31）和组织重塑（Col-I和Col-III）。

2.8 整合O₂和H₂气体治疗抑制TNFAIP3介导的铁死亡
RNA-seq分析鉴定出321个上调和331个下调的差异表达基因。结合FerrDb数据库和PPI网络分析，确定Tnfaip3为关键枢纽基因。Western blot证实GPM+Vis治疗下调TNFAIP3蛋白表达，上调铁死亡标志物GPX4和SLC7A11的表达。TEM显示线粒体形态得到恢复，MDA水平降低、GSH水平升高，证实铁死亡状态被有效改善。

2.9 TNFAIP3通过hnRNPA1泛素化调控铁死亡
在L929细胞中过表达TNFAIP3可上调PTGS2、下调FTH1和NFE2L2，降低线粒体膜电位并引起线粒体损伤。Co-IP联合质谱鉴定出hnRNPA1为TNFAIP3的相互作用蛋白，两者共定位于细胞质。TNFAIP3过表达促进hnRNPA1的泛素化降解并缩短其半衰期，而敲低TNFAIP3则相反，证实TNFAIP3通过泛素-蛋白酶体途径调控hnRNPA1的稳定性。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，空间分离结构设计是提高O₂和H₂共析出效率的关键，PMP的产气速率比竞品HTON-Pd@Gel高20%。双层微针设计解决了纳米颗粒递送效率低的问题，GelMA基质本身具有促愈合特性。研究通过高通量多组学方法首次阐明整合气体治疗的分子机制为TNFAIP3/hnRNPA1泛素化/铁死亡信号轴。结论部分强调，本研究提出了一种生物活性GPM微针材料和整合O₂和H₂气体治疗的变革性概念，作为概念验证，不仅在糖尿病创面愈合中，而且在再生医学的其他领域都展示了其分子机制和应用潜力，但长期生物安全性和有效性仍需进一步研究。