糖尿病伤口微环境自响应透明质酸水凝胶，配合无痛换药技术，促进耐抗生素细菌感染伤口的愈合

《International Journal of Biological Macromolecules》：Diabetic wound microenvironment self-responsive hyaluronic acid hydrogel with painless dressing change for boosting drug-resistant bacteria infected wound healing

　　

摘要

糖尿病患者的高血糖微环境和持续性细菌感染显著抑制了伤口愈合过程。同时，现有的用于伤口愈合的粘合水凝胶在更换敷料时仍面临二次损伤的挑战。本文提出了一种自适应于糖尿病伤口微环境的透明质酸水凝胶敷料（GOx@Co/TMB/FH），该敷料制备简便，能够无损伤且无痛地从伤口处移除，从而加速伤口愈合。受感染的糖尿病伤口环境可以触发GOx@Co基的级联反应，生成过氧化氢和活性氧（ROS），实现化学动力学疗法（CDT）。此外，TMB可以被催化生成氧化TMB，具备光热治疗（PTT）的特性。CDT与PTT的结合有效地促进了低温下受耐药菌感染的糖尿病伤口愈合，这一效果通过体外和体内实验得到了验证。更为有趣的是，GOx@Co/TMB/FH水凝胶具有温度响应性，可以在伤口部位原位形成，从而适应不规则的伤口形状和深度，改善伤口愈合。这种敷料可以用冰或冷水轻松移除，不会对伤口造成损伤，实现无痛更换。研究表明，GOx@Co/TMB/FH水凝胶在管理糖尿病条件下的感染伤口方面具有巨大的临床转化潜力。

引言

糖尿病慢性伤口具有持续的炎症反应、反复的细菌感染和组织再生能力受损等标志性病理特征，成为全球重大的公共卫生挑战[1]、[2]。长期高血糖状态下的糖尿病伤口会出现血管功能受损和代谢失衡，为多重耐药细菌提供了理想的滋生环境，使得传统抗生素治疗效果大打折扣[3]、[4]、[5]。持续的微生物感染会引发局部炎症反应，形成一个自我延续的病理循环，每年给全球医疗系统带来巨大的经济负担[6]、[7]。因此，监测局部血糖水平对于评估伤口愈合过程至关重要[8]、[9]、[10]。鉴于高血糖在维持这一病理循环中的关键作用，开发针对高血糖微环境的策略是一个有前景的方向，有助于打破感染和炎症的循环，并及时调整治疗方案。

近年来，饥饿疗法与光热治疗（PTT）的结合被用于糖尿病伤口愈合[11]。基于葡萄糖氧化酶（GOx）的策略可以通过消耗葡萄糖来调节糖尿病伤口的微环境[12]、[13]、[14]。PTT可以通过局部升温物理破坏细菌膜，无需生物化学反应，从而绕过现有的耐药机制[15]、[16]、[17]。然而，天然GOx的临床应用存在稳定性差、半衰期短和易受环境影响的问题。此外，PTT通常需要高温灭菌，可能会损伤伤口周围的正常细胞和组织[18]、[19]、[20]，甚至可能降低GOx的酶活性。先进的酶固定或生物矿化技术显著提高了酶的稳定性和活性[21]、[22]、[23]。同时，结合化学动力学疗法（CDT）或光动力学疗法（PDT），实现了低温PTT，避免了高温带来的副作用[24]、[25]、[26]。

众所周知，伤口形状不规则，传统敷料往往无法贴合伤口，从而降低治疗效果[27]、[28]。近年来，水凝胶被证实是一种有潜力的伤口敷料，具有优异的生物相容性、可调的机械性能和保湿能力[29]、[30]。特别是在伤口部位原位形成的水凝胶可以有效防止微生物侵入[31]。通过调节水凝胶的物理化学性质，可以实现可控的药物释放，从而优化治疗效果[32]、[33]、[34]，按需释放抗菌剂、生长因子或抗炎药物，促进组织修复并降低感染风险。然而，需要注意的是，传统敷料和大多数水凝胶难以从伤口表面移除，给更换敷料带来不便，可能导致伤口二次损伤和患者疼痛[35]。因此，迫切需要开发既能促进伤口愈合又能无痛更换且不对患者造成损伤的敷料。

基于钴（Co）的纳米酶具有优异的催化活性、高稳定性和良好的生物相容性，展现了广泛的应用前景[36]、[37]、[38]。预计通过生物矿化与GOx结合的钴基纳米材料将成为临床应用的理想纳米酶。在本研究中，首次成功制备了GOx@Co纳米复合材料（图1）。通过将GOx@Co和3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）与Pluronic F127和透明质酸（HA）混合制备成了多功能GOx@Co/TMB/FH水凝胶。透明质酸的作用是调节GOx@Co/TMB/FH的溶胶-凝胶转变温度，从而使其与生理温度相匹配。同时，糖尿病伤口中细菌分泌的透明质酸酶（HAase）可以降解HA支架。因此，假设GOx@Co/TMB/FH水凝胶可以在伤口部位原位形成，适应不规则的伤口形状，并在需要时释放GOx@Co纳米酶和TMB。GOx@Co具有GOx和过氧化物酶的双重酶活性，稳定性更强，生物相容性更好。在高血糖微环境的触发下，释放的GOx@Co催化葡萄糖氧化生成过氧化氢，进而激活GOx@Co的过氧化物酶样活性，氧化TMB，产生用于监测高血糖微环境的颜色信号，并通过CDT产生细胞毒性活性氧（ROS），针对性地消除细菌。此外，由于TMB氧化产物（oxTMB）的光热活性，结合CDT实现了低温灭菌，提高了愈合效果，同时副作用较低。GOx@Co/TMB/FH的作用在于各组分的协同作用：细菌产生的透明质酸酶介导的基质降解促进了GOx@Co的释放，驱动局部葡萄糖消耗和H₂O₂生成。随后的Co介导的过氧化物酶样反应生成ROS，氧化TMB为NIR响应型oxTMB，提供了催化活性的颜色指示，并赋予了光热治疗效果。CDT的结合使得在低温下进行PTT成为可能，对周围正常细胞和组织的副作用较低。同时，热响应性的F127基质实现了贴合伤口的覆盖和低创伤移除。这些特性共同构成了治疗耐药菌感染糖尿病伤口的独特微环境响应策略。

章节摘要

GOx@Co的特性

GOx@Co是通过简单的生物矿化过程制备的，过程中粉红色的CoCl₂溶液和无色的GOx溶液因形成GOx@Co纳米复合体而变为黄色，如图1A所示。Co²⁺离子最初与GOx大分子框架上的负电荷和配位活性基团结合。加入NaOH后，生成的氢氧化钴伴随少量CoOOH类似物质发生水解和成核，随后继续生长...

材料

透明质酸购自中国大连美伦生物技术有限公司（Meilunbio）。根据制造商的分析证书，其重量平均分子量为10 kDa，纯度大于90%。产品未经进一步纯化即直接使用。

葡萄糖氧化酶（GOx）购自上海源业生物科技有限公司。CoCl₂·6H₂O购自天津大茂化学试剂厂。Pluronic F127、TMB和30%过氧化氢（H₂O₂也均购自相应供应商。

结论

总结来说，我们开发了一种基于级联反应的GOx@Co/TMB/FH热敏水凝胶敷料，用于治疗耐药菌感染的糖尿病伤口。在细菌感染的微环境中，GOx@Co被释放出来消耗葡萄糖，实现饥饿疗法。同时，生成的H₂O₂在GOx@Co的作用下生成ROS并催化TMB，实现了CDT和PTT的协同治疗，有效改善了耐药菌感染的情况...

作者贡献声明

陈秀英：验证、方法学、数据管理、概念构思。曾宇莎：实验研究。陶晨宇：资源协调。王继辉：形式分析。魏晓华：初稿撰写。李贤：方法学指导。史丽宇：验证、软件编程。刘雅晴：审稿、编辑及项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本课题得到了天津市科学技术项目（编号21JCYBJC01550）和国家自然科学基金（编号21775108）的支持。

陈秀英|曾宇莎|陶晨宇|王继辉|魏晓华|李贤|史丽宇|刘雅晴