一种适应感染环境、受近红外（NIR）调控的自愈水凝胶，用于无需抗生素治疗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染的伤口修复

《Sustainable Materials and Technologies》：An infection-adaptive, NIR-regulated self-healing hydrogel for antibiotic-free MRSA-infected wound repair

　　摘要
细菌感染、氧化应激和持续性炎症会阻碍伤口愈合，而依赖抗生素的治疗可能会促进细菌耐药性的出现。我们开发了一种能够适应感染环境的近红外（NIR）调控自愈水凝胶敷料（PACH），该敷料由多巴胺锚定的银纳米结构（PDA@Ag）组成，这些纳米结构嵌套在羧甲基壳聚糖和氧化透明质酸的动态Schiff碱网络中。由于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）在感染过程中会分泌透明质酸酶，因此氧化透明质酸网络被设计为能够适应感染环境的降解；NIR光热处理进一步松解和分解该网络，从而增加PDA@Ag相关抗菌成分的可用性。PDA@Ag表现出增强的NIR吸收能力和光热性能（ΔT_max = 35.7°C，在0.75 W/cm2的辐照强度下）。PACH保护成纤维细胞免受H?O?引起的氧化损伤，促进成纤维细胞迁移，并减轻脂多糖刺激的巨噬细胞的炎症反应。体外实验表明，PACH对MRSA具有强烈的抗菌和抗生物膜作用，808 nm辐照可使细菌存活率降至0.001%。在MRSA感染的全层伤口模型中，PACH在第三天将细菌存活率降低至1.42 ± 0.59%，第十四天时伤口面积减少至2.518 ± 0.97%，并增强了上皮再生、胶原蛋白沉积和巨噬细胞向修复性表型的转变，且没有明显的系统毒性。因此，PACH是一种基于生物材料的水凝胶，在室温下无需有机溶剂即可形成，能够提供无需传统抗生素的抗菌治疗。这些发现支持了一种综合性的伤口护理策略，用于控制细菌感染和促进伤口愈合。

引言
皮肤作为身体的第一道防线，在体温调节、防止水分丢失以及抵御病原体入侵方面起着关键作用[1]。当皮肤受到物理、化学或生物因素的损伤时，组织完整性会被破坏，随之启动一个高度有序的愈合过程，包括止血、炎症、增殖和重塑阶段[2]。在最佳条件下，大多数急性伤口可在几周内完成上皮再生和组织重建[3]。然而，在临床环境中，伤口常常被污染或感染，这会延长炎症过程，加剧氧化应激，并阻碍从炎症阶段向增殖阶段的过渡，最终导致伤口愈合延迟或形成慢性伤口[4]。这些临床问题表明，感染相关的微环境失调是影响伤口愈合的主要因素，而不仅仅是组织损失本身。在微环境层面，过量的活性氧（ROS）积累是感染伤口的特征之一，也是非愈合性炎症的主要驱动因素[5]。适量的ROS有助于抗菌防御和信号传导；但过度生成则会损害细胞膜和细胞外基质，抑制成纤维细胞迁移和角质形成细胞增殖，并维持炎症级联反应，从而阻碍感染部位的组织再生[6][7]。同时，巨噬细胞在感染伤口的修复中起着关键作用：M1型巨噬细胞产生促炎介质（如TNF-α和IL-6）并生成有助于清除病原体的氧化分子，而M2型巨噬细胞则支持炎症消退、血管生成和组织重塑[8][9]。因此，单独使用抗菌治疗已越来越被认为是不够的。协调ROS清除和巨噬细胞从M1型炎症表型向M2型修复表型的转变，是管理感染伤口和治疗伤口恢复的重要策略。在抗菌耐药性背景下，这一要求更加紧迫，因为传统抗生素可能无法有效清除病原体和生物膜[10]。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）是伤口感染中最常见且最具挑战性的耐药病原体之一。MRSA能够产生胞外聚合物（EPS）形成生物膜，这会限制抗菌药物的渗透，改变细菌的代谢状态，并显著降低抗生素的敏感性，从而导致持续感染和复发[11]。鉴于抗生素的过度使用和耐药性的增加，需要无抗生素的平台来同时解决耐药性、生物膜、炎症失调和氧化应激等问题。仅靠清除细菌通常不足以恢复正常所需的氧化和炎症环境。在伤口护理的各种局部策略中，水凝胶敷料通过创建一个专门的矩阵来局部释放治疗剂，同时保持湿润、保护和支持细胞的伤口环境，提供了一种临床实用的解决方案[12]。水凝胶敷料由三维亲水网络构成，具有优异的保水性和对伤口表面的贴合性。特别是自愈水凝胶，通过动态可逆交联技术可在机械损伤后恢复结构连续性，从而提高敷料在关节等高活动区域的稳定性和可用性[14]。然而，传统的含抗生素水凝胶仍存在耐药性发展和潜在系统毒性的风险，包括对肝脏和肾脏的负面影响，这限制了其长期或重复使用[15][16]。因此，具有良好生物相容性、机械强度和微环境调节能力的不含抗生素水凝胶敷料成为治疗感染伤口的有前景的方向。

光热疗法（PTT）提供了一种无需药物的外部触发方式来破坏细菌和生物膜[17][18]。Xu等人结合了铁/钴催化剂与光热和化学动力学疗法，用于小鼠和猪的MRSA模型[19]。Du等人开发了结合NIR II光热活性与氧化酶和过氧化物酶功能的钌单原子催化剂，用于治疗细菌性肺炎[20]。He等人将铂、钯和金纳米酶与光热、化学动力学和声动力疗法结合，用于治疗深部感染[21]。这些系统强调催化生成的ROS和多模式杀菌作用，它们以自由无机纳米材料的形式给药，其治疗效果依赖于持续的ROS生成。多巴胺（PDA）提供了一种不同的方法。PDA是一种受生物启发的有机光热剂，可将NIR光转化为热能，并具有清除活性氧的能力，同时还具有免疫调节潜力[22]。因此，它的作用是缓解修复组织的氧化负担，而不是加剧这一过程。然而，在复杂感染（特别是多药耐药细菌感染）中，PDA的杀菌效果不足[23]。银纳米颗粒（Ag NPs）具有广谱抗菌活性，还能发挥抗炎作用并加速伤口愈合[24][25]。值得注意的是，PDA中的 catechol 和胺基团可以原位还原Ag+，并在PDA表面稳定Ag，形成PDA@Ag纳米结构。这些纳米结构结合了光热敏化和金属抗菌特性，还能通过热破坏EPS屏障来增强抗氧化和免疫调节功能[26][27][28]。感染伤口中含有多种失调的酶，包括MMPs、中性粒细胞相关蛋白酶、胶原酶和透明质酸酶[29][30]。MMPs主要参与细胞外基质的分解和胶原蛋白的降解，而透明质酸酶则能切割透明质酸及相关糖胺聚糖结构[31][32]。除了这些宿主来源的酶外，金黄色葡萄球菌（包括MRSA）还会主动分泌其自身的透明质酸酶（hyaluronate lyase, HysA），这是一种已知的毒力因子，可促进细菌扩散和组织侵袭[33][34][35]。因此，在MRSA感染部位，宿主和病原体来源的透明质酸酶都会富集，使得基于氧化透明质酸（OHA）的网络成为按需酶解的合理选择。这种酶富集的病理状态不仅会导致基质破坏和愈合延迟，还为设计适应性伤口水凝胶提供了生物学依据。目前系统的独特之处不在于抗菌化学成分本身，而在于光热剂的运用方式，这一点定义了本研究的贡献。关于PDA@Ag纳米复合材料在抗菌光热治疗中的应用已有广泛报道，由羧甲基壳聚糖和氧化透明质酸组装的动态Schiff碱水凝胶也是成熟材料；这两种成分在此并未声称具有原创性。尚未探索的是将PDA@Ag加载到透明质酸酶响应的Schiff碱水凝胶中的配置方式。在这种配置中，光热剂被封闭在敷料内，直到通过两种独立因素解锁：感染伤口的酶环境和外部施加的NIR辐照。在这种情况下，抗菌剂量由感染程度（决定局部透明质酸酶水平）和辐照计划（决定光热剂量）共同控制。因此，辐照提供了外部时间控制释放的能力，而酶响应的交联则提供了现场激活的设计基础。PDA@Ag不是以自由纳米材料的形式给药，而是被限制在一个基于生物材料的多糖壳内，该多糖壳的交联具有水解动态性和酶促可切割性。这个壳提供了两个独立的释放触发因素：MRSA感染部位的天然透明质酸酶和外部808 nm NIR辐照，后者可以加热网络并加速其分解。PDA@Ag的光热响应和壳的酶降解共同作用于一个双触发、按需释放系统：抗菌剂量在感染部位释放，而不是全身输送，且载体本身最终会降解为天然代谢物。由于同一网络还能清除活性氧并调节炎症反应，该平台将细菌控制和氧化还原-免疫调节结合起来，这是上述催化系统所不具备的。因此，在这种壳中整合PDA介导的PTT与基于银的抗菌活性，为实现无抗生素的抗生物膜治疗提供了合理策略，同时保持了氧化还原-免疫调节的优势。

材料与试剂
透明质酸（HA；分子量=1.14 × 103 kDa；纯度99.4%）由山东中山生物技术有限公司提供。羧甲基壳聚糖（CMCS；DD=98.69%，DS=88.42%，分子量=32.2 kDa；见表S1）购自Macklin（上海，中国）。盐酸多巴胺（纯度98%）购自Macklin（上海，中国）。透明质酸酶（HAase；500 U/mg，BR等级）购自上海源叶生物科技有限公司（上海，中国）。

纳米颗粒的表征
通过氧化聚合和原位还原合成PDA@Ag纳米颗粒的过程如图1A所示。随后的物理化学表征证实了Ag成功整合到PDA基质中。FTIR光谱（图1B）确认了PDA的形成，显示O–H/N–H伸缩带（3400 cm?1）的宽化和1650–1550 cm?1区域（吲哚环振动）的重塑。在PDA@Ag中，这些特征带的强度降低。

讨论
治疗MRSA感染的伤口需要同时控制细菌负荷和恢复失调的伤口微环境。本研究中的PACH结合了对HAase敏感的CMCS/OHA网络与PDA@Ag介导的光热抗菌活性。研究发现，这种设计不仅增强了NIR辐照下的MRSA清除效果，还减轻了氧化应激和炎症反应，并促进了随后的组织修复。因此，其主要贡献在于……

结论
总之，PACH展示了如何将HAase敏感的基质降解和PDA@Ag介导的NIR光热激活整合到自愈多糖敷料中，以实现无抗生素管理MRSA感染伤口的目标。其治疗效果不仅限于抑制细菌，还体现在减轻氧化应激和炎症反应，以及促进修复性免疫微环境和组织重建方面。