慢性糖尿病伤口难愈在全球将近4.63亿的糖尿病患者中情况十分普遍，造成了全球性的健康问题。尽管有很多包括生物工程皮肤或基于生长因子的治疗方法，但在过去几十年临床实践中仍有超过50%的患者未能从这些疗法中获益。缺乏有效的治疗方案凸显了寻找慢性伤口快速愈合有效解决方案的重要性。鉴于此，天津大学姬晓元教授、哈佛医学院陶伟教授和Seyoung Koo教授、广东工业大学栾天罡教授及其课题组张帆博士等人提出一种基于铂纳米粒子聚集体的炎症标本兼治的新策略，用于慢性感染伤口的有效快速愈合。相关工作于近期发表在国际学术期刊《Materials Horizons》上。
本研究利用前期开发的一种动态共价-金属有机配位模板法（Nano Today, 2023, 48, 101708）实现了高密度铂纳米粒子聚集体的合成，然后利用纳米粒子在超声介导下能模拟多种生物酶催化活性的特点，构建同时清除ROS和调节细胞稳态双重功能的纳米凝胶喷涂剂。
图1：超声介导下铂纳米粒子聚集体 “标本兼治”的伤口愈合策略
“标本兼治”的主要机制在于：这种高致密的铂纳米粒子所组成的纳米聚集体能与超声波造成的空化效应所造成的光产生的特定频率发生共振。这种等离子共振效应造成的金属表面电子极化能够接受NADPH上一对孤对电子的能量，形成两个单独的电子和金属表面的活化H。随后，持续的超声作用使GS-SG的双硫键自由基化，与金属表面活化的H进行反应，最终形成2个GSH分子，从而实现谷胱甘肽还原酶的催化功能的模拟。这种有效的GSH的产生能发挥调控胞内氧化应激水平、下调炎症因子、促使巨噬细胞极化等生物学功能，配合铂纳米粒子原有的催化过氧化氢转化为氧气的能力，更有效地减缓伤口处持续性的氧化应激及局部乏氧问题，最终使这种铂纳米粒子聚集体在超声介导下表现出ROS有效清除、细胞增殖与迁移能力改变、促血管形成等功能，从而全面有效的促进伤口有效快速愈合。
图2：铂纳米粒子聚集体催化能力表征与机制
在体外，作者通过计算酶动力学参数及高分辨质谱技术评估了铂纳米粒子聚集体催化分解H2O2、生成GSH的能力。进一步在体外细胞炎症模型中验证了铂纳米粒子聚集体在超声介导下改善成纤维细胞增殖、内皮细胞分化、角质形成细胞迁移、ROS清除、巨噬细胞极化等多种效应。
图3：超声介导下铂纳米粒子聚集体的体外细胞实验
图4：超声介导下铂纳米粒子聚集体的糖尿病小鼠伤口愈合实验
最后在小鼠糖尿病伤口模型中开展了伤口愈合实验及机制的研究。实验结果表明：将铂纳米粒子聚集体与GelMA凝胶混合后喷涂在伤口处，仅进行一次超声介导就能显著的增加伤口愈合的速度和效果。一系列免疫荧光切片的结果进一步验证了：超声介导下的铂纳米粒子聚集体是通过下调ROS水平和炎症因子，改善细胞增殖和迁移能力，同时调节巨噬细胞表型等方式实现有效的伤口愈合。这种既能从表观下调炎症因子水平又能调节细胞稳态环境的方式，将为难愈伤口管理方法提供一种的全新策略。
图5：不同治疗方法的愈合过程及机制分析
图6：不同治疗方法的免疫荧光染色实验
本研究依托先进医用材料与医疗器械全国重点实验室，智能医学工程教育部工程中心，广东工业大学智慧医疗创新技术中心，广东工业大学榕江实验室，得到了国家自然科学基金、国家重大科研仪器研制项目和广东省基金的资助与支持。研究成果以“Infected Wound Repair with an Ultrasound-enhanced Nanozyme Hydrogel Scaffold”为题发表在《Materials Horizons》期刊上。广东工业大学生物医药学院张帆副教授，天津大学医学部康勇为共同第一作者。另外，本工作还得到了博济医药科技股份有限公司首席科学家冯力文博士的大力支持和帮助。
参考文献：
Fan Zhang, Yong Kang, Liwen Feng, Guan Xi, Wei Chen, Na Kong, Wei Tao, Tiangang Luan, Seyoung Koo, Xiaoyuan Ji. Infected Wound Repair with an Ultrasound-enhanced Nanozyme Hydrogel Scaffold. Materials Horizons, 2023, DOI: 10.1039/d3mh01054f
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh01054f
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