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西安交大郭保林教授《Natl. Sci. Rev.》：細菌響應程序化自激活抗菌水凝膠用于重塑傷口再生微環境以促進感染傷口愈合

2024-02-16 來源：高分子科技

細菌感染會導致其周圍的微環境發生巨大變化，這些變化包括細菌分泌酶的含量增加和酸性代謝物引起的微環境pH值降低。在應用抗生素條件下反復的細菌感染往往是產生耐藥性的罪魁禍首，而傳統的抗生素治療無法有效破壞耐藥細菌形成嚴重感染。因此，基于細菌感染傷口復雜的化學、物理和生物學特性，耐藥細菌感染的抗生素治療面臨著重大挑戰，迫切需要探索抑制耐藥細菌感染的非抗生素治療策略。生物刺激響應類材料可以通過改變自身的理化性質或化學鍵破壞從而釋放殺菌成分來實現按需抗菌，因此在未來具有廣闊的應用前景。具有自主刺激響應能力的材料可以及時應對傷口微環境的變化，最大限度地抑制感染。鑒于細菌感染的多因素特點，亟需開發能對細菌微環境變化做出反應的智能自激活按需抗菌傷口敷料，以實現自我診斷和治療。

針對以上問題，西安交通大學前沿科學技術研究院郭保林教授團隊創新設計了一種響應細菌代謝微環境變化的程序化自激活按需抗菌水凝膠（CAOP/M/PL），作為耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）感染運動部位創面治療的水凝膠敷料。該水凝膠由封裝乳酸氧化酶（Lox）的pH/酶雙重響應的三嵌段膠束（PPEL）、過氧化銅包裹的二硫化鉬納米酶（MSCO）以及精氨酸改性殼聚糖-苯硼酸修飾氧化葡聚糖水凝膠組成。CAOP/M/PL水凝膠具有理想的粘附性和自愈合性，能夠適應運動部位創面的形變保持良好的貼合。基于PPEL的雙響應特性，通過釋放Lox，轉化細菌產生的乳酸代謝物為H₂O₂，增強酸可裂解納米酶MSCO的化學動力抗菌能力。同時，精氨酸在H₂O₂產生后通過自身氧化產生NO，進一步聯合類過氧化物酶活性增強的化學動力抗菌策略，實現傷口感染的有效控制和細菌生物膜清除。在感染后增殖和重塑階段，CAOP/M/PL水凝膠通過自調節的氧化應激緩解，平衡愈合過程引起的過度反應活性氧（ROS）水平，并通過加速血管再生促進創面微環境重塑。總之，CAOP/M/PL水凝膠通過感染控制、氧化應激緩解和促血管生成，有效改善MRSA感染傷口愈合速度和愈合質量。

圖 1 細菌響應水凝膠CAOP/M/PL的制備及應用示意圖。

圖 2 CAOP/M/PL水凝膠及其組分的合成及表征。CAOP/M/PL水凝膠具有良好的自愈合性，可作為運動部位的物理屏障。

圖 3 CAOP/M/PL水凝膠的刺激響應特性。CAOP/M/PL水凝膠通過pH或酶變化導致水凝膠自身理化性質發生改變，產生用于抗菌的氧自由基和一氧化氮，同時削弱抗氧化成分的防御潛力。

圖 4 CAOP/M/PL水凝膠的刺激響應抗菌特性。CAOP/M/PL水凝膠表現出隨pH降低而增強的抗菌效果。水凝膠通過靜電力作用和硼酸酯鍵捕獲游離細菌。CAOP/M/PL水凝膠通過增強的化學動力治療幾乎完全根除MRSA生物膜。

圖 5 CAOP/M/PL水凝膠的抗氧化、促HUVEC細胞遷移和小管形成能力。水凝膠能夠有效平衡增殖和重塑階段傷口的過度氧化應激。水凝膠通過緩釋銅離子促進HUVEC細胞的遷移和小管形成。

圖 6 CAOP/M/PL水凝膠對MRSA感染運動創面的修復能力。CAOP/M/PL水凝膠在小鼠運動部位創面的修復中能夠有效控制細菌感染，通過加速傷口上皮化、促進細胞遷移、改善血管及皮膚附屬物形成以提高傷口愈合質量。

該研究為細菌響應型智能抗菌水凝膠的設計和應用提供了新思路，相關研究以“Bacterial responsive programmed self-activating antibacterial hydrogel to remodel regeneration microenvironment for infected wound healing”為題發表于《National Science Review》。西安交通大學前沿科學技術研究院博士研究生楊雨桐為本文的第一作者。西安交通大學前沿科學技術研究院郭保林教授為本文的通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae044

郭保林課題組簡介：https://gr.xjtu.edu.cn/web/baoling/home

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（責任編輯：xu）

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