慢性糖尿病伤口是糖尿病患者最常见的并发症。高氧化应激水平和持续炎症导致糖尿病创面愈合缓慢及其后期神经血管网络重建困难。清除过量活性氧是加速慢性糖尿病创面修复的有效策略之一。与无机纳米酶潜在的生物毒性及不可降解相比，天然多酚（例如:单宁酸、没食子酸、茶多酚等）是生物相容性良好的抗氧化剂和抗炎剂。然而，酚羟基的不稳定性及无法长期持续催化极大程度上限制了多酚基材料的应用。因此，提高多酚催化效率以持续降低氧化应激水平并增强后期血管和神经的网络重建是治疗慢性糖尿病伤口的有效策略。
近期，武汉理工大学戴红莲教授/涂溶教授团队通过优化bio-MOF的合成方法，开发了一种基于酶催化功能的没食子酸-镁金属有机框架（Mg-GA MOF）的新型抗菌喷雾水凝胶敷料（Gel/MOF）治疗糖尿病伤口。利用微波辅助合成技术优化bio-MOF的合成方法并在合成体系中引入二甲基甲酰胺（DMF），获得形貌均匀且性能稳定的Mg-GA MOF，并将其负载在具有可预防细菌感染的海藻酸钠（SA）/壳聚糖季铵盐（HACC）可喷涂水凝胶中。提出了糖尿病伤口早期快速清除活性氧并降低氧化应激水平，后期持续维持调节氧化应激微环境并通过镁离子辅助治疗增强血管神经网络重建的治疗策略。相关工作以“Mg-gallate metal-organic framework-based sprayable hydrogel for continuously regulating oxidative stress microenvironment and promoting neurovascular network reconstruction in diabetic wounds”为题发表在Bioactive Materials期刊上。该研究采用微波辅助合成技术制备没食子酸-镁金属有机骨架（Mg-GA MOF），并在合成过程中加入二甲基甲酰胺（DMF）以优化合成方法。与在高温（>120℃）下需要较长时间（12~24h）的传统水热合成法相比，该方法在相对较短的时间内（30min）快速获得单分散且粒径均匀的Mg-GA MOF，有效改善了Mg-GA MOF的水中不稳定性（图1）。
图1. DMF调控Mg-GA MOF晶体形貌及影响没食子酸持续释放
该研究将Mg-GA MOF与GA和常见的抗氧化剂抗坏血酸（维生素C）进行比较，以评估Mg-GA MOFs清除各种自由基的能力。结果表明，具有酶催化能力的Mg-GA MOF可以清除各种活性氧自由基并维持氧化还原平衡。值得注意的是，Mg-GA MOF的类SOD和类CAT活性在级联催化反应中具有潜在的清除O2•-和H2O2的优势。MG-GA MOF的类CAT活性的剂量依赖性小于类SOD活性和•OH清除的剂量依赖，有效地避免了类SOD活性催化引起的H2O2积累和芬顿反应导致额外的•OH生成。此外，低剂量Mg-GA MOF有效清除RNS性能打破了过氧亚硝酸根阴离子（ONOO-）的积累，避免了亚硝化应激，这种RNS很容易引起DNA断裂和脂质过氧化（图2）。
图2. Mg-GA MOF具有清除ROS的酶催化功能
在LPS构建的RAW264.7巨噬细胞炎症模型下，Mg-GA MOF可降低炎症状态下RAW264.7细胞的胞内活性氧水平，并促进RAW264.7细胞M1向M2的极化。结果表明Mg-GA MOF具有体外抗炎活性。Mg-GA MOF持续释放GA与ROS的快速反应有效保护了暴露在H2O2氧化环境中的hUVEC，L929和HaCaT细胞，并有效降低胞内氧化应激水平（图3）。Mg-GA MOF的长期降解实现了氧化应激平衡的长期维持，这对后期损伤修复的效率和后期损伤修复的功能重建至关重要。
血管生成在组织再生中起关键作用，取决于血管内皮细胞的迁移和血管网络的重建。划痕测定实验和体外成小管实验结果表明，Mg-GA MOF持续释放的Mg2+显著促进血管内皮细胞迁移和增强体外小管形成，这在血管重建中具有潜在的关键作用（图4）。
为了在糖尿病伤口中有效地递送Mg-GA MOF，研究人员合成了基于Mg-GA MOF的可喷涂水凝胶敷料（Gel/MOF）。水凝胶敷料的溶胶-凝胶转化是通过海藻酸钠（SA）的水溶液和含有Mg-GA MOF的壳聚糖季铵盐（HACC）的钙离子溶液互喷实现的。雾化的SA和钙离子溶液在约数十秒内快速交联。菌落形成单位测定（CFU）和抑菌圈实验结果表明Gel/MOF的抗菌效果主要源于阳离子抗菌剂季铵盐，在不添加壳聚糖季铵盐的对照组中，即使添加GA或MOF也没有观察到明显的抗菌效果（图5）。因此，Gel/MOF在抑制伤口中的细菌增殖和预防细菌感染方面具有潜在优势。
图5. Mg-GA MOF和可喷涂水凝胶敷料Gel/MOF的体外抗菌能力
研究人员在db/db糖尿病小鼠中直径为6 mm的全层皮肤缺损模型上评估Gel/MOF可喷涂水凝胶敷料对糖尿病伤口的修复能力。在手术后的前3天，组之间没有显著的差距。Gel/MOF组的愈合速度从手术后8天开始显著加快，与对照组和Gel组相比，Gel/MOF组伤口愈合率显著提高，显著加快伤口愈合速度。Gel/MOF治疗16天后的再生皮肤组织组织切片H&E染色结果证实了这一结果，且再生组织与周围皮肤组织几乎相同，可见更多的血管、毛囊、皮脂腺和表皮再上皮化。除此之外，Masson染色结果及天狼星红染色结果显示Gel/MOF组中呈现出更多的胶原沉积，且Gel/MOF组具有比对照组和凝胶组更高的胶原蛋白I/III比率（图6）。这些结果表明，Gel/MOF促进表皮再上皮化及胶原沉积，并调节I型和III型胶原表达以促进伤口愈合。
图6. 可喷涂水凝胶敷料Gel/MOF加速体内糖尿病伤口愈合，促进胶原沉积和再上皮化对再生组织进行胞内总活性氧免疫荧光染色，结果显示与对照组相比，术后第8天Gel和Gel/MOF处理后的ROS+细胞密度极其显著地降低，且Gel/MOF的ROS+细胞密度显著低于凝胶组，表明MOF的存在促进了ROS的清除并极大地缓解了糖尿病伤口中氧化应激的微环境。进一步地使用RT-qPCR检测再生皮肤组织中的炎症相关基因，结果显示，尽管Gel/MOF组中的TNF-α基因表达没有显著降低，Gel/MOF组中的抗炎因子IL-10和IL-4的表达显著高于对照组和Gel组。此外，从Gel和Gel/M0F组提取蛋白，然后使用细胞因子蛋白阵列检测炎症相关蛋白。在Gel/MOF组中，促炎因子及相关趋化因子地表达降低，而抗炎因子IL-1ra增加。结果均表明，在Gel敷料中加入MOF可增强M1型巨噬细胞向M2型极化，并积极调节炎症微环境和降低氧化应激以促进伤口愈合（图7）。
图7. 可喷涂水凝胶敷料Gel/MOF调节糖尿病伤口中的炎性细胞因子表达并抑制氧化应激研究人员检测了再生组织的血管相关基因并对血管和神经元进行CD31、β3-微管蛋白和NF200免疫荧光标记。结果表明Gel/MOF促进血管内皮细胞的增殖、迁移和新血管的形成，同时伴随着新生的神经网络，其治疗后的皮肤具有更好的修复效果（图8）。
图8. 可喷涂水凝胶敷料Gel/MOF加速神经血管网络重建。
综上所述，本研究成功制备了分散性好且形貌可调的Mg-GA MOF，实现了Mg-GA MOF合成-结构-性能之间的有效调控，并将其负载至具有抗菌性能的可喷涂水凝胶敷料中，作为微环境调节剂用于治疗慢性糖尿病伤口。Mg-GA MOF具有类酶催化活性，可通过降解释放GA快速清除ROS，维持氧化还原平衡，有效调节慢性糖尿病创面微环境。在伤口修复的后期，Mg2+辅助治疗可促进神经血管网络重建，而抗菌水凝胶敷料可预防细菌感染。这种简单方便的可喷涂水凝胶敷料为慢性糖尿病伤口提供了一种非药物治疗的新策略。武汉理工大学戴红莲教授和涂溶教授为该论文的共同通讯作者，武汉理工大学博士研究生练辰希为该论文的第一作者。本研究受到国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市基础研究重点项目和韩江实验室自主创新研究资助项目的资助。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X24001592?via%3Dihub
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