《Small》:双金属 MOF-纳米酶修饰的水凝胶具有清除 ROS、产氧和抗菌能力,可加速感染的糖尿病伤口愈合

文摘   2024-10-24 16:41   广东  

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引言

在糖尿病伤口的愈合过程中,活性氧(ROS)异常积累激活的氧化应激是导致剧烈炎症的主要因素。利用天然抗氧化酶,如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)和过氧化氢酶(CAT)等,是清除体内 ROS 的有效策略。然而,天然酶的脆弱性和高成本限制了其进一步的临床应用。因此,具有高稳定性、多孔性和可调性的金属有机框架(MOFs)可作为模拟类酶催化活性的纳米酶。通过活性金属位点与有机配体的配位作用(类似于天然酶中的活性中心结构),MOFs 可以模拟各种氧化还原酶的活性。然而,大多数已开发的MOFs 纳米酶的金属节点同时作为结构位点和活性中心,导致其配位结构网络不稳定,催化机制不明确等问题。

近期,四川大学王娜副教授等人报道了一种 MOFs 纳米酶水凝胶,并将其应用于糖尿病伤口管理。通过构建双金属 MOFs 纳米酶,明确区分和分离了 MOFs 配位网络中的结构位点和活性中心。受天然血红素的催化活性中心结构的启发,构建了基于卟啉的仿生 Mn-N4 活性位点,赋予其类 CAT 的催化活性。最后,将 MOFs 纳米酶与天然产物抗菌剂绿原酸(CGA)共同锚定于由京尼平(GP)交联的壳聚糖(CS)水凝胶中,该纳米酶水凝胶通过消除氧化应激、增加氧合作用以及逆转体内细菌感染,加速了Ⅰ型糖尿病小鼠的感染伤口愈合。

02

过程



图 1. PCN-224(Mn) MOF-纳米酶的表征。(a) 合成路线示意图;(b) SEM 图像;(c) TEM 图像;(d) HAADF-STEM 元素图谱;(e) PXRD 图谱;(f) FT-IR 光谱;(g) 粒径分布图。

图 2. PCN-224(Mn) MOF-纳米酶的表征。(a) XPS 全谱;(b) XPS C 1s 光谱;(c) XPS Mn 2p 光谱;(d) N2 吸附/解吸附等温图;(e) 孔径分布图;(f) 累积表面积 vs. 孔径图。

图 3. MCGC 水凝胶的表征。(a) 水凝胶交联和凝胶化过程示意图;(b) GP 介导的交联反应机理示意图;(c) 成胶时间示意图;(d) 水凝胶的表面、横截面的 SEM 图像。

图 4. MCGC 水凝胶的表征。(a) FT-IR 光谱;(b) 保水性能图;(c) 溶胀行为图;(d) G'/G'' vs. 频率图;(e) G'/G'' vs. 应变图;(f)  G'/G'' 在极低应变和极高应变交替循环下的变化图;(g) 自愈合行为图;(h) 在手部关节上的粘附性能图;(i) 可注射性能图。

图 5. MCGC 水凝胶的抑菌性能。(a) CGA 介导的抗菌机制示意图;抑菌处理后的 (b) E. coli 和 (c) S. aureus 的抑菌曲线;抑菌处理后的(d) E. coli 和 (e) S. aureus 抑菌率。

图 6. MCGC 水凝胶的抑菌性能。(a) 抑菌平板图;(b) 抑菌处理后的细菌 SEM 图像;(c) 抑菌处理后的成熟生物膜的活/死染色图。

图 7. MCGC 水凝胶的 ROS 清除性能。(a) MOF-纳米酶的类 CAT 活性示意图;(b) H2O2 清除率;(c) 溶血率;水凝胶处理后 (d) L929、(e) NIH-3T3 和 (f) HUVEC 细胞的细胞活力。

图 8. MCGC 水凝胶的 ROS 清除性能。(a) 细胞内 ROS 清除性能;(b) 促进氧化损伤后的线粒体功能恢复性能。

图 9. MCGC 水凝胶加速糖尿病感染伤口愈合性能。(a) 治疗方案示意图;(b) 伤口愈合轨迹;(c) 伤口愈合面积率;(d) 主要器官 HE 染色。

图 10. MCGC 水凝胶加速糖尿病感染伤口愈合性能。(a) 小鼠皮肤组织 HE 染色;(b) 小鼠皮肤组织 Masson 染色。

图 11. MCGC 水凝胶加速糖尿病感染伤口愈合性能。(a) IL-1β、IL-6 和 TNF-α 的表达水平;(b) IL-1β、(c) IL-6 和 (d) TNF-α 阳性染色面积。

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总结

该研究成功构建了可注射、自粘附和自愈合的 MCGC 水凝胶,并作为可定制的个性化伤口敷料。MCGC 水凝胶为天然抗菌剂 CGA 和 MOF 纳米酶提供了负载平台,使其同时具有促进 ROS 清除、溶解氧生成和优异抗菌性能的多功能自适应活性。在 Ⅰ 型糖尿病小鼠感染伤口模型中,MCGC 水凝胶通过显著加速伤口闭合、诱导胶原沉积、缓解炎症响应,实现了促进糖尿病感染伤口愈合。最后,MCGC 水凝胶作为一种具有良好生物相容性的伤口敷料,为临床糖尿病伤口治疗提供了一种有效的潜在策略。


原文链接: 

http://doi.org/10.1002/smll.202403679





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