一种可编程的近红外-II（NIR-II）激活型相变纳米平台，用于抗菌治疗以及糖尿病慢性伤口的微环境重塑

《Journal of Controlled Release》：A programmable NIR-II-activated phase-change nanoplatform for antibacterial therapy and microenvironment remodeling in diabetic chronic wounds

　　摘要
糖尿病慢性伤口仍然是一个主要的临床挑战，原因是持续的氧化应激、日益增加的抗菌素耐药性以及细胞间通讯的紊乱，这些因素严重限制了传统单一疗法的效果。为了解决这些限制，我们开发了一种近红外II（NIR-II）激活的热响应纳米治疗平台CPNPs-Rhein@PCM（CRP），该平台结合了光热转换和按需药物释放，以协调控制感染和重塑伤口微环境。具有高光热转换效率（57.8%）的供体-受体结构共聚物纳米颗粒（CPNPs）作为光热核心，而雷恩（rhein）被封装在脂质相变材料（PCM，相变温度约为45°C）中，以实现精确调控的热释放。这种纳米平台表现出优异的胶体稳定性、强NIR-II吸收能力和高药物装载效率（42.5%），能够在激光照射下实现快速和可控的药物释放。在NIR-II激发下，局部高温诱导PCM相变，并同步实现光热杀菌和雷恩介导的化学抑制。这种协调激活机制破坏细菌膜，抑制生物膜形成，清除过量的活性氧物种，并促进巨噬细胞向促再生M2表型极化，从而促进血管生成、内皮细胞迁移和细胞外基质重塑。转录组分析进一步表明，CRP治疗系统地调节了炎症、迁移、血管生成和组织修复相关的信号通路，为其免疫调节和再生功能提供了分子层面的证据。体外和体内研究均证实，CRP对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有超过99%的抗菌效果，在感染的糖尿病小鼠模型中，24小时内可以实现超过90%的伤口闭合，并在16天内几乎完全治愈伤口，且没有检测到全身毒性。因此，这项研究确立了CRP作为一种具有定量确认的光热-化学协同抗菌性能的纳米平台。它还调节巨噬细胞极化、清除活性氧物种和促进血管生成，以重塑糖尿病伤口微环境，从而实现有效的组织再生，并突显了其在难治性糖尿病慢性伤口精准治疗中的潜力。

引言
糖尿病是一种以持续高血糖为特征的代谢紊乱疾病，常伴有慢性不愈合伤口，这仍然是最严峻的临床挑战之一[1]。这种状况不仅严重损害患者健康，还对医疗系统造成持续负担[2]。临床数据显示，大约25%的糖尿病患者会出现慢性伤口，近三分之一最终需要由于伤口无法闭合而进行截肢，这对临床伤口管理构成了严重挑战[3][4][5]。糖尿病患者的高血糖微环境严重扰乱了正常的伤口愈合过程[6]。生理性伤口愈合是一个高度协调的事件序列，包括止血、炎症、增殖和重塑[7]；然而，在高血糖条件下，这种协调性被根本性地破坏[8]。具体来说，升高的葡萄糖水平直接抑制血管生成，导致组织缺氧，同时促进过量活性氧（ROS）的积累[9]。由此产生的氧化应激进一步加剧组织损伤，最终形成一个“损伤-修复障碍”的恶性循环[10][11]。此外，糖尿病慢性伤口通常伴有细菌感染，抗生素的广泛临床使用导致常见病原体（如金黄色葡萄球菌）的耐药性增加[12]。此外，高血糖环境会破坏对组织再生至关重要的细胞和细胞因子网络，从而延迟伤口修复并延长愈合时间[13]。因此，面对三个主要障碍——持续氧化应激引起的损伤、不断升高的细菌耐药性和细胞协调紊乱——迫切需要开发一种“多功能协同”治疗策略，能够同时缓解氧化应激、抑制细菌感染并促进组织再生，从而从根本上克服难治性糖尿病伤口愈合的临床难题[14]。
目前，糖尿病慢性伤口的治疗策略通常围绕“感染控制-微环境调节-组织修复”的范式展开，包括传统的对症治疗、生物干预和手术方法[15][16][17]。然而，这些方法都存在明显的局限性[18]。传统的清创和抗菌敷料（例如基于银的敷料）无法解决局部缺血和缺氧的根本问题，还可能促进抗菌素耐药性的产生[19]。基于生长因子的疗法（如EGF和FGF）在伤口环境中不稳定，且成本较高[20][21]。生物疗法（如间充质干细胞和富含血小板的血浆）受到细胞存活、标准化和伦理考虑问题的限制[22]。手术干预（如皮瓣移植）受到供体部位可用性和移植失败风险的限制[23]。总体而言，大多数现有治疗方法依赖于单一目标干预，因此不足以打破“感染-缺血-修复障碍”的病理循环[24]。近年来，光热疗法（PTT）因其精准性、非侵入性和光可控性而成为一种非常有前景的替代方案[25][26]。PTT通过使用近红外（NIR）光激活光热剂（PTAs），产生可控的局部热效应[27]。这种效应可以同时实现直接杀菌、扩张血管以缓解缺血和缺氧，以及刺激细胞增殖和迁移，从而实现“感染控制、微环境调节和组织再生”的协同治疗效果[28]。有效PTT的关键在于开发理想的光热剂[29][30][31]。在各种材料中，共聚物（CPs）因其固有的强NIR吸收、优异的光热稳定性和高度可调的分子设计而成为特别有前景的光热候选材料，为糖尿病伤口愈合的先进治疗策略提供了新的途径[32]。然而，光热疗法本身在精确调节炎症和有效促进组织再生方面仍然存在局限性[33]。近年来，来自传统中药的生物活性成分因其多靶点治疗效果而提供了新的机会，其中雷恩尤其值得关注[34]。作为一种蒽醌化合物，雷恩可以通过抑制NF-κB通路来减轻炎症，通过上调VEGF表达来促进建血管，并通过清除活性氧物种（ROS）来减轻氧化应激，从而通过多种互补机制创造一个促再生的微环境，这些机制与光热疗法的功能优势非常吻合[35]。因此，将雷恩与具有优异光热性能的共聚物结合，构建“光热-药物”协同系统，有望克服单一疗法的固有局限性[36]。然而，雷恩的水溶性较差，大大限制了其实际应用[37]。为了解决这个问题，可以引入热响应相变材料（PCMs）作为智能载体，这些材料不仅增强了药物装载能力，还实现了精确的按需药物释放，从而将“光热疗法-药物递送-智能控释”整合到一个平台上[38]。在近红外（NIR）照射下，光热效应直接杀菌并改善局部微循环，而局部温度升高触发PCM的相变，实现雷恩的准确释放，确保在伤口愈合的不同阶段都具有治疗有效的浓度[39][40]。这两种机制协同作用：光热改善的微环境增强了细胞对药物的吸收，而雷恩的抗炎和促血管生成效应进一步增强了光热对愈合过程的调控[41]。总的来说，这种集成策略有望显著加速伤口闭合，减少复发，并为慢性糖尿病伤口的管理提供一种系统而多样的治疗方法[42]。
近年来，近红外II（NIR-II）响应的纳米平台因其优越的光学特性而出现在治疗系统中，包括更深的组织穿透、减少的光子散射以及与可见光和NIR-I光相比最小的组织自荧光[43]。这些特性使得治疗激活的精确定时控制成为可能，并促进了多样的生物医学应用，包括图像引导治疗、光热治疗和刺激响应的药物递送[44]。因此，NIR-II触发的光热系统作为按需治疗释放和病理微环境调节的平台引起了极大的兴趣。这些系统的治疗效果在很大程度上取决于其光热核心的物理化学性质[45]。尽管已经开发了许多光热纳米材料，但许多材料仍受到结构稳定性不足或与可编程药物递送策略兼容性差的限制。例如，黑磷（BP）具有宽的光学吸收范围、高效的光热转换和可生物降解为有益于组织再生的生物活性磷酸盐物种的特性。然而，其在生理条件下的氧化和水解敏感性大大降低了其光热稳定性和可重复性，从而限制了其实际生物医学应用[46]。相比之下，供体-受体（D-A）共聚物纳米颗粒（CPNPs）提供了一个稳定的无金属光热平台，具有分子可调的NIR-II吸收、优异的光热转换效率和在重复照射下的出色光热稳定性。更重要的是，它们的疏水性聚合物框架能够方便地容纳疏水性治疗剂和相变材料，实现高效的药物封装和热编程药物释放[47]。这些结构和光物理特性使得D-A CPNPs成为可编程NIR-II响应递送系统的理想光热核心。因此，在本研究中使用了D-A结构的CPNPs来构建一个能够通过NIR-II控制治疗的相变纳米平台，用于治疗感染的糖尿病伤口[48]。本文报告了一种NIR-II触发的光热-化学协同抗菌平台，称为CPNPs-Rhein@PCM（CRP）（图1），旨在在温和的光热条件下实现精确控制的药物释放和集成抗菌治疗。首先合成了具有高NIR-II窗口光热转换效率（57.8%）的供体-受体（D-A）结构共聚物纳米颗粒（CPNPs），作为高效且远程可控的热源。然后将抗菌剂雷恩与CPNPs共同封装在相变脂质材料（PCMs，Tm约为45°C）中，得到一个温度响应的纳米系统（CRP）。在NIR-II照射下，局部光热加热诱导PCM相变并实现按需释放雷恩。该系统通过双重机制实现强抗菌活性，结合了光热膜破坏和雷恩介导的细菌代谢及生物膜形成的抑制，同时减轻了过度炎症。此外，通过转录组分析系统地阐明了CRP介导的免疫调节和组织再生的分子机制。通过整合NIR-II光热激活、相变调控的药物递送和基因水平的机制洞察，这项工作建立了一个多功能纳米治疗平台，用于动态调节伤口微环境，为开发刺激响应生物材料和难治性糖尿病慢性伤口的治疗提供了一种通用的策略。

段落摘录
共聚物纳米颗粒（CPNPs）和CPNPs-Rhein@PCM（CRP）复合系统的制备和表征
在本研究中，首先通过Stille偶联反应合成了共聚物（CP），并通过1H NMR光谱（400 MHz，CDCl?）确认了其化学结构（图S1）。进一步使用凝胶渗透色谱（GPC）分析了聚合物的分子量分布。如图S2所示，聚合物的数均分子量（M?）为5.0 kDa，重量平均分子量（Mw）为13.9 kDa，多分散指数（PDI = Mw/M?）为2.78。

结论
总结来说，我们建立了一个可编程的NIR-II激活的纳米治疗平台CPNPs-Rhein@PCM（CRP），该平台结合了相变控制的药物释放、光热杀菌和免疫调节，用于全面的糖尿病伤口治疗。通过在温和照射（约45°C）下的精确温度调节，CRP经历热诱导的相变，将局部高温与按需雷恩释放同步化。这种协调激活有效地破坏了...

材料
供体单体4,8-双[5-(2-乙基己基)噻吩-2-基]-2,6-双(三甲锡基)苯[1,2-b:4,5-b']二噻吩（BDT）和受体单体4,9-二溴-6,7-双[4-[(2-辛基十二烷基)氧]苯]-[1,2,5]噻二唑[3,4-g]喹诺酮（TQX）购自深圳瑞迅光电材料科技有限公司（中国）。雷恩（rhein）、DPPH和活性氧物种（ROS）测定试剂盒购自上海昱源生物科技有限公司。Calcein-AM/PI和SYTO9/PI活/死染色试剂盒

作者贡献声明
Kaiwen Chang：概念化。Zhan Gao：数据整理。Ke Xue：形式分析。Mengyao Zou：形式分析。Peiyun Lin：形式分析。Ying Bai：形式分析。Shuoshuo Fu：形式分析。Yanyan Li：形式分析。Chunpo Ge：形式分析。Zhijun Yang：资金获取。

利益冲突声明
作者声明没有竞争性财务利益。

致谢
本工作得到了河南省优秀青年科学基金会（授权号202300410310）、河南医科大学博士启动基金（授权号XYBSKYZZ201827）以及河南省高等教育机构关键科学研究基金（授权号23A150024）的支持。

Kaiwen Chang | Zhan Gao | Ke Xue | Mengyao Zou | Peiyun Lin | Ying Bai | Shuoshuo Fu | Yanyan Li | Chunpo Ge | Zhijun Yang
河南医科大学基础医学院，新乡453003，中国