自驱动纳米马达增强 MERTK 相关胞葬作用以促进糖尿病伤口愈合

《Biomaterials》：Self-propelled Nanomotor Enhances MERTK-Associated Efferocytosis for Promoting Diabetic Wound Healing

　　

摘要

糖尿病伤口中抗氧化酶活性受损和葡萄糖代谢失调导致晚期糖基化终末产物和活性氧（ROS）累积，进而引发巨噬细胞胞葬功能障碍和愈合延迟。尽管纳米酶具有靶向治疗潜力，但其依赖被动扩散的运输方式可能限制其穿透细菌生物膜的能力。为解决这一递送挑战并实现免疫调节，本研究设计了一种具有级联催化活性的纳米酶/激光驱动硫化钼/金纳米马达（MGNM），用于促进糖尿病伤口愈合。密度泛函理论阐释了异质金属杂化策略如何增强MGNM的催化活性。不对称Janus结构赋予了MGNM自主推进能力。具体而言，MGNM可利用伤口中的"病理物质"葡萄糖/ROS作为燃料，通过多酶模拟级联催化产生O₂。同时，MGNM通过近红外激光诱导的非对称热梯度实现按需光热推进。这种双模推进赋予了MGNM机械力，使其能够体外主动穿透耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）生物膜，并有可能到达伤口组织。在组织内，MGNM发挥其纳米酶介导的调节功能，降低葡萄糖和ROS水平，促进巨噬细胞胞葬，有效逆转炎症，调节炎症反应和巨噬细胞表型，从而加速伤口修复。这种"机械穿透-免疫调节"策略为糖尿病伤口愈合提供了一种极具前景的治疗范式。

引言

糖尿病及其并发症已成为全球第三大死因和第四大残疾年数来源，对人类健康构成严重威胁[1], [2]。糖尿病伤口因高感染率、致残率和死亡率已成为糖尿病最严重的并发症之一[3]。在正常伤口修复过程中，吞噬细胞通过胞葬作用清除凋亡细胞以抑制过度炎症[4]。作为伤口中的主要吞噬细胞，巨噬细胞具有强大的抗炎作用。具体而言，参与胞葬的巨噬细胞可通过其表面关键胞葬受体启动向M2表型极化，通过分泌抗炎细胞因子促进抗炎信号通路，调节伤口微环境的免疫稳态，并进一步促进修复过程从急性炎症期向增殖/重塑期过渡[5], [6], [7]。然而，在糖尿病伤口中，超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶的合成和活性降低，加上葡萄糖代谢失调，导致晚期糖基化终末产物（AGEs）和活性氧（ROS）持续累积，进而诱导局部氧化应激。这种氧化应激可抑制巨噬细胞吞噬过程中的信号识别、吞噬和降解等关键步骤，导致凋亡细胞异常累积，进而放大炎症级联反应，加重伤口感染，阻碍血管新生[8], [9], [10]。因此，开发靶向促进巨噬细胞胞葬并同步调节免疫稳态的策略对于促进糖尿病伤口愈合具有重要意义。

直接补充葡萄糖氧化酶（GOx）和过氧化氢酶（CAT）等天然酶以改善复杂的伤口微环境，面临诸多限制，包括稳定性差、成本高和制备程序复杂。纳米酶是具有独特理化性质和固有酶模拟催化活性的纳米材料，具有稳定性高、合成简单、成本低、功能可调、易于储存等显著优势[11], [12], [13], [14]。这些特性使纳米酶成为生物催化中治疗糖尿病伤口的天然酶的理想替代品。其中，硫化钼（MoS₂）纳米酶具有模拟SOD和CAT活性的能力，可清除活性氧（•O₂^-、H₂O₂），从而减轻氧化应激并产生氧气[15], [16]。然而，MoS₂的治疗效果仍受限于固有活性不足和无法消耗过量葡萄糖，导致治疗效果 compromised。因此，开发旨在增强工程化MoS₂纳米酶活性和实现葡萄糖消耗的 strategy 对于推进糖尿病伤口治疗至关重要。

遗憾的是，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）等病原体定植糖尿病伤口，分泌细胞外聚合物（EPS）形成致密的三维生物膜[17], [18]。传统纳米酶主要依赖被动扩散进行递送，这可能会损害其穿透效率并限制其克服生物膜屏障并发挥有效治疗效果的能力[17]。纳米马达的开发提供了一种克服这些局限性的策略。纳米马达可将化学燃料或外部刺激（如超声波、光或电场）转化为机械力以实现自主推进[19], [20]，为破坏生物膜和改善伤口愈合提供了可行途径[21]。通常，纳米马达需要不对称结构设计以产生推进力。例如，不对称Janus结构可利用不对称催化反应（由H₂O₂或尿素等燃料驱动）或不对称光热效应（在近红外（NIR）光照射下）产生梯度以推动运动[22], [23]。因此，设计一种具有增强生物膜穿透能力的自主推进纳米马达是促进糖尿病伤口修复的有前景的策略。

在此，本研究设计了一种具有级联催化的纳米酶/激光驱动Janus硫化钼/金纳米马达（MGNM），用于促进糖尿病伤口愈合（Scheme 1）。MGNM的不对称Janus结构赋予其自主运动能力。一方面，它可利用糖尿病伤口微环境中的"病理物质"（高浓度葡萄糖和ROS）作为燃料，通过级联催化反应产生O₂以驱动自主推进。另一方面，在近红外（NIR）照射下，Janus MGNM表面产生的不对称热梯度可触发自热泳效应。这种双驱动模式使MGNM的运动速度比被动扩散快约2倍。得益于自主运动能力，MGNM能够高效穿透体外预先形成的MRSA生物膜模型，并执行其固有纳米酶调节功能（Au的GOx样活性将葡萄糖分解为H₂O₂；MoS₂的SOD样活性将•O₂^-分解为H₂O₂/O₂；MoS₂的CAT样活性将H₂O₂分解为O₂），消耗葡萄糖、清除ROS并减轻炎症。异质金属杂化策略增强了MGNM的过氧化氢酶样活性和光热性能，实现了催化和光热的协同增强修复效果。这种调节有效增强了MERTK相关的凋亡细胞清除，促进其向M2型转化，释放抗炎因子并促进低炎症伤口微环境，从而促进血管新生并加速糖尿病伤口愈合。总之，这种精心设计的双驱动Janus自主推进纳米马达通过"机械穿透-免疫调节"策略为糖尿病慢性伤口的治疗提供了一种有效方法。

章节摘要

双驱动MGNM的设计、合成与表征

为促进伤口愈合，本研究设计了一种具有级联催化的纳米酶/激光驱动Janus硫化钼/金纳米马达（MGNM）。首先，获得了具有优异SOD样、CAT样酶活性和光热性能的二维硫化钼（MoS₂）纳米片。受自然级联过程的启发，具有GOx样活性的金纳米颗粒在MoS₂纳米片上原位生长，形成MGNM。使用透射显微镜观察了合成材料的形貌。

结论

总之，我们工程化了一种不对称Janus双金属硫化钼/金纳米马达（MGNM），将其作为整合级联纳米酶催化和光热性能的自主推进纳米马达，并通过异质金属杂化策略加以增强。关键在于，其不对称Janus结构实现了双驱动推进：(1) 利用病理葡萄糖/ROS通过级联反应产生O₂，以及(2) 通过近红外激光诱导的非对称热梯度实现光热推进。这种强大的...

CRediT作者贡献声明

Limei Liu：监督指导。Quan Lin：撰写-审阅与编辑、监督指导、方法学、形式分析、数据整理、概念构思。Ze Wang：撰写-初稿、软件、方法学、形式分析、数据整理、概念构思。Tianhong Liu：撰写-初稿、软件、形式分析、数据整理、概念构思。Annan Liu：数据整理、概念构思。Lei Li：方法学、概念构思。Mikhail I. Voevoda：监督指导。Bai Yang：监督指导。Wenlai

利益冲突声明

作者声明不存在竞争经济利益。

数据可用性

数据应要求提供。

利益冲突声明

作者声明不存在竞争经济利益。

致谢

本研究得到国家自然科学基金青年科学基金项目（编号：82402917）、吉林省财政厅（2024WSZX-B09）、吉林省自然科学基金（编号：SKL202302002）和中国博士后科学基金会博士后 fellowship 项目（编号：GZB20250444）的支持。

Ze Wang|Tianhong Liu|Wenlai Guo|Siyu Wu|Yiyang Ding|Hao Liang|Annan Liu|Lei Li|Mikhail I. Voevoda|Bai Yang|Limei Liu|Quan Lin|Wenrui Qu

吉林大学第二医院手外科，中国长春 130041