在快节奏的现代生活中，糖尿病作为一种全球性的健康危机正在悄然蔓延。长期高血糖将引发多种机体损伤。糖尿病足溃疡（diabetic foot ulcer, DFU）是糖尿病患者最严重、最常见、治疗成本最高的并发症之一。
DFU由神经病变引起皮肤软组织炎症和损伤，进而由于细菌增殖，活性氧浓度激增，且糖尿病人的高糖微环境十分有利于细菌的增殖，持续性感染导致伤口迁延不愈。糖尿病溃疡在近年来因其高发病率和死亡率备受关注，科学界对该慢性病的治疗开发了多种策略，然而多数方法的治疗效果均会受到侵袭性细菌和炎症微环境的严重影响，抗生素的滥用与随之而来的细菌耐药性也为治疗带来了挑战。
硫化氢（H2S）气体疗法
基于其固有的生理调节效应，硫化氢（H2S）作为一种气体递质受到了广泛关注，因为它参与了众多重要的过程，如伤口愈合。值得注意的是，H2S在生理浓度下能够发挥抗炎作用而不会出现明显的副作用，这与广泛使用的类固醇激素抗炎剂有着很大的区别，后者可能引起糖尿病患者的内分泌紊乱。由于这些优点，H2S将成为一种理想的治疗剂，通过综合的抗炎和促愈合效应来治疗糖尿病溃疡。然而，H2S的治疗效果受到无序释放行为的影响。因此，设计良好的刺激响应系统，能够实现按需释放H2S的动力学效果，对于硫化氢气体疗法的应用具有重要意义。
葡萄糖氧化酶驱动的硫化氢释放微载体用于治疗细菌感染的糖尿病伤口
近日，上海交通大学药学院王寅教授团队在《Nano Letters》杂志发表了题为“Glucose Oxidase Driven Hydrogen Sulfide-Releasing Nanocascade for Diabetic Infection Treatment”的工作。该研究报道了一种响应微环境的自给式葡萄糖氧化酶复合硫化锰（GOx@MnS）纳米颗粒，用于糖尿病溃疡伤口的治疗。当纳米粒子在溃疡部位遇到高葡萄糖时，GOx催化葡萄糖、降低局部pH值，并触发锰离子（Mn2+）和硫化氢（H2S）的释放。进而，Mn2+与过氧化氢（H2O2）反应产生羟基自由基，消除细菌感染，同时H2S能够抑制炎症反应并通过巨噬细胞极化加速糖尿病伤口愈合。优异的生物相容性、强大的杀菌活性和良好的免疫调节效果使GOx@MnS 纳米粒子具有巨大的糖尿病伤口治疗潜力。
【文章要点】
在这项研究中，研究人员选择了葡萄糖氧化酶（GOx）作为级联体催化剂的“载体”，通过生物矿化将水不溶性的H2S供体硫化锰（MnS）沉积在上面，并最终形成GOx@MnS纳米颗粒（NPs）。此外，GOx还作为级联治疗活性的“促进剂”。由于生物矿化后GOx的酶活性得以保留，GOx在液体中催化葡萄糖生成葡萄糖酸和H2O2。当喷涂于伤口表面时，一方面，葡萄糖酸降低环境pH值，触发MnS释放H2S；另一方面，H2O2可以通过Mn2+催化的类Fenton反应持续转化为•OH。在伤口表面原位产生后，•OH能够迅速杀死病灶部位的细菌。更重要的是，它具有高化学反应性和短半衰期，能够将其作用限制于表面上的细菌和组织，减轻对深部区域的潜在损伤。因此，GOx@MnS 纳米粒子具有优异的杀菌活性和良好的组织再生能力，为细菌感染的糖尿病伤口治疗提供了一种独特的葡萄糖 - H2O2 - •OH级联和H2S供体的组合（图1 A）。
实验表明，生物矿化的纳米粒子表现出良好的稳定性，且GOx的活性在纳米粒子中得到了很好的保留。随着H2S和Mn2+的释放，在葡萄糖存在的情况下，由类Fenton反应产生的•OH可以氧化MB并使其褪色，表明在Mn2+存在的情况下，葡萄糖可以转化为H2O2并生成•OH。因此，该结果验证级联反应的可行性，并且揭示了GOx@MnS纳米粒子作为H2S供体和级联催化剂的治疗潜力（图1 D-F）。
图1 纳米粒子及其表征
葡萄糖驱动生成•OH特别适用于高葡萄糖条件下的细菌杀灭。实验表明，纳米粒子表现出浓度依赖性的广谱杀菌特性，在低浓度下可显著减少活菌数量，进一步增加浓度，杀菌率将超过99.99%。表明GOx@MnS 纳米粒子在高葡萄糖条件下具有强大的广谱杀菌能力（图2 A-E）。
当感染发生时，附着在表面的细菌往往会分泌粘多糖并形成生物膜。这些生物膜为抗菌剂的起效制造了一道障碍。因此能够穿透或破坏生物膜的抗菌材料对于清除细菌和治疗创伤非常有用。将细菌被膜在含有葡萄糖的生理盐水中与GOx@MnS 纳米粒子共孵育，结果表明经纳米粒子处理，生物膜被明显破坏。因此，我们可以推测GOx@MnS 纳米粒子的杀菌活性对于包裹于生物膜中的细菌仍然有效（图2 F-H）。
图2 纳米颗粒的杀菌效果和破坏生物膜的效果评估
除了抗菌能力外，GOx@MnS纳米粒子作为免疫调节剂的效果也进行了探索。纳米粒子通过释放H2S发挥诱导巨噬细胞向M2极化的免疫调节效应，且该免疫调节效应可进一步促进细胞迁移，展现出促进组织修复的潜力（图3）。
图3 纳米颗粒诱导巨噬细胞向M2极化及其降低炎症因子的评估
研究人员进一步利用糖尿病小鼠进行了体内测试。相对对照组，纳米粒子在经MRSA感染的小鼠伤口上显示出明显更快的愈合速度，且具有更好的恢复状态，没有明显的炎症反应。值得注意的是，纳米粒子处理组提供了最佳的愈合效果：一些新生的毛囊出现，并且组织的整体状态几乎接近正常组织。这些结果表明，GOx@MnS 纳米粒子可降低炎症反应、确保低感染水平和促进组织再生，加快伤口愈合。这些结果表明该纳米材料在糖尿病溃疡治疗领域具有广阔的治疗潜力（图4）。
图4 纳米粒子促进糖尿病溃疡愈合效果评估及其生物安全性评价
体内的免疫调节效应评估显示，尽管经过纳米粒子处理的伤口炎性细胞数量较少，但CD206的表达仍然较高，说明伤口处残留的巨噬细胞主要为M2表型，有利于组织再生。CD31的表达同样高于对照组，表明愈合过程得到加速。经纳米粒子处理，促炎细胞因子表达下调，抗炎细胞因子，转化生长因子的表达则升高。依据这些结果，我们最终可以确认GOx@MnS纳米粒子可作为免疫调节剂（图5）。
图5 纳米粒子免疫调节性能评估
【结论与展望】
综上所述，王寅教授团队制备了一种双功能纳米材料，即GOx@MnS 纳米粒子，用于糖尿病溃疡治疗。GOx作为MnS沉积的模板，并稳定了纳米粒子在水溶液中的分散。由于GOx的催化活性得到了很好的保持，它可以使葡萄糖转化为葡萄糖酸和H2O2，降低pH。同时，沉积的MnS提供了持续且pH响应的H2S和Mn2+释放，并作为类Fenton反应的催化剂。在糖尿病溃疡处高浓度葡萄糖驱动下，GOx@MnS纳米粒子将逐渐分解并启动葡萄糖 - H2O2 - •OH级联反应以及H2S释放，确保•OH的杀菌活性和通过H2S的免疫调节效应可以同时实现。考虑到该纳米粒子的刺激响应药物释放行为、强大且广谱的抗菌能力、显著的抗炎能力以及良好的生物相容性，这种纳米材料展现出在细菌感染糖尿病溃疡治疗方面的巨大治疗潜力。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01771
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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