Fe?N@C纳米材料：协同作用下的PTT/CDT/NO技术用于糖尿病足溃疡的动态疗法

《Biomaterials Advances》：Fe 2N@C nanomaterials: Synergistic PTT/CDT/NO for the dynamic therapy of diabetic foot ulcer

　　

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  Fe₂N@C纳米球结合了NO释放、光热疗法（PTT）和化学动态疗法（CDT），用于治疗糖尿病足溃疡（DFU）。
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  近红外-II（NIR-II）触发的高热效应增强了Fe₂N@C的过氧化物酶体（POD）样活性。
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  无机Fe₂N@C作为一种新型NO供体，具有高释放能力。
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  酸性生物膜微环境促进了NO的释放和CDT活性。
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  动态疗法在感染性DFU治疗中具有巨大潜力。

引言

糖尿病足溃疡（DFU）是最严重的并发症之一，糖尿病患者的终身发病率达25%。它导致了几乎一半的糖尿病相关住院病例，并且是绝大多数（>80%）糖尿病相关小腿截肢的前兆[1]。由于复杂的微环境，包括高血糖、细菌感染、慢性炎症、血管生成受损和异常胶原蛋白代谢等[2]，DFU的有效治疗已成为全球性挑战。因此，DFU通常具有长期的病程、延长的住院时间和漫长的治疗周期，给患者家庭和医疗系统带来了巨大负担。理想的治疗过程应包括抗感染、抗炎和组织再生[3]、[4]。DFU的治疗需要一种动态且多效的策略。

抗生素是目前治疗细菌感染的主要方法。然而，细菌很容易对多种抗生素产生抗药性，从而降低治疗效果[5]、[6]。光热疗法（PTT）在治療细菌感染方面具有巨大潜力。PTT依赖光敏剂将近红外（NIR）光转化为热能，导致蛋白质变性、膜破坏、DNA修复受阻以及内质网应激等[7]。然而，现有研究表明，在高温（>50°C）条件下，细胞可以频繁上调热休克蛋白（HSPs），尤其是HSP 70和HSP 90，从而获得对PTT的热耐受性和抗性[8]、[9]、[10]。因此，将PTT与HSP抑制相结合可能是一种提高治疗效果的有前景策略[11]、[12]。

一氧化氮（NO）是一种内源性多功能信号分子，在许多生理和病理过程中起着关键作用[13]、[14]、[15]。先前的研究表明，NO可以通过引发DNA脱氨基、脂质过氧化和膜损伤来发挥抗菌作用[16]。此外，它还可以促进炎症细胞（如巨噬细胞）向伤口部位的浸润，这对于清除受损组织和病原体至关重要。重要的是，NO没有表现出抗药性，这使得它成为治疗耐抗生素感染的有吸引力的选择。此外，NO还可以减少促炎细胞因子的表达，促进M2型巨噬细胞的极化（抗炎表型），并促进新血管生成。这些多样的功能使NO在DFU治疗中具有巨大潜力。然而，NO的这些功能依赖于剂量：高浓度的NO倾向于促进炎症，而低浓度则更可能促进抗炎。在初始的抗感染阶段，需要更高剂量的NO来快速消除细菌；而在后续阶段，较低剂量的NO则有助于逆转炎症并促进组织再生。因此，可控的NO供应对于确保动态治疗效果至关重要[17]。目前，已经采用了多种NO供体来进行治疗，如L-精氨酸、s-亚硝基谷胱甘肽、硝普钠（SNP）、s-亚硝基谷胱甘肽（GSNO）和金属硝基复合物[18]。这些有机供体总是被装载到纳米载体（聚合物、脂质体、水凝胶、多孔纳米材料）中，以便通过内源性（pH值、H₂O₂、GSH）和外源性（热、光、超声波和放射）刺激来触发敏感的NO释放[19]。基于我们之前的工作，采用了含有金属氮化物的MoN多孔纳米球作为NO供体[20]。与上述有机NO供体相比，金属氮化物具有显著优势：高氮素比例和理论产量、无需载体操作，以及多样的成分和结构。

在本文中，使用Fe₂O₃纳米球作为前体合成了铁氮化物（Fe_xN）。在不同的氮化温度下，分别得到了Fe₂N（500°C）、Fe₃N（600°C）和Fe₄N（650°C）。正如预期的那样，它们在H⁺和氧化物（H₂O₂和O₂）的作用下能够生成NO。具有最高氮含量的Fe₂N表现出最高的NO释放量。此外，Fe_xN还具有过氧化物酶（POD）活性，能够催化内源性H₂O₂生成·OH，用于化学动态疗法（CDT）。生成的·OH不仅能够增强NO的生成，还能生成具有高氧化潜力的·ONOO^?，从而有效杀灭细菌。此外，还添加了尿素来制备Fe₂N@C纳米材料，这种材料即使在NIR-II区域也能增强光吸收，并具有较高的光热转换效率（43.94%，1064 nm）。高热效应还可以提高POD活性和NO释放。详细的体外和体内实验进一步证实，PTT、CDT和NO疗法的结合可以消除细菌感染并逆转炎症，促进正常愈合（图1）。

章节片段

材料

六水合氯化铁（FeCl₃·6H₂O）、柠檬酸、无水乙酸钠（NaAc）、乙二醇和二氯荧光蛋白二乙酸盐（DCFH-DA）购自Aladdin有限公司。3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、碘硝基四唑啉氯化物（INT）、DL-乳酸锂盐和二氧化碳（H₂O₂）购自Aladdin有限公司。3-(4,5-二甲基-2-噻唑基)-2,5-二苯基-2-H四唑溴化物（MTT）购自Sigma Aldrich公司。β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）等也用于实验。

Fe₂N@C纳米材料的表征

Fe₂N@C纳米材料是通过氮化反应（NH₃）与Fe₂O₃纳米球（图S1–2）和尿素作为前体制备的。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像显示，Fe₂N@C的纳米颗粒大小约为150–200 nm（图1A和S3），由于NH₃的还原作用，这些颗粒比前体稍微缩小。元素分析表明，纳米材料主要由N、Fe和C组成，成分均匀。

结论

本文合成了覆盖有碳层（Fe₂N@C）的Fe₂N纳米材料，证明其对DFU具有显著的治疗效果。其优势如下：该纳米复合材料显著提高了对NIR-II光的吸收，并显示出优异的光热转换效率（43.94%）。此外，Fe₂N@C还具有出色的POD活性，引入了CDT用于抗感染。光热效应可以进一步提高POD的性能[52]。

CRediT作者贡献声明

Rongrong Mu：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。Xiaowen Tang：数据管理，实验研究，撰写 – 审稿与编辑。Xinyan Huang：撰写 – 审稿与编辑，初稿编写，正式分析，数据管理，概念构思。Yajie Ma：指导，方法学设计，正式分析。Huiming Lin：撰写 – 审稿与编辑，软件使用，资源管理，方法学设计，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究的财务支持来自国家自然科学基金（21571045）、哈尔滨师范大学博士启动项目（XKB202409）以及哈尔滨师范大学研究生创新项目（HSDSSCX2025-27）。

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