中山大学 JACS Au | 光动力氢键生物杂化框架: 加速糖尿病伤口治疗的光生物催化级联纳米反应器

Original ACS Publications ACS美国化学会

英文原题：Photodynamic Hydrogen-Bonded Biohybrid Framework: A Photobiocatalytic Cascade Nanoreactor for Accelerating Diabetic Wound Therapy

通讯作者：陈国胜 (中山大学化学学院)、黄思铭 (广州医科大学药学院)、王继刚 (深圳市人民医院)

作者：Wei Huang,† Haitao Yuan,† Huangsheng Yang, Linjing Tong, Rui Gao, Xiaoxue Kou, Jigang Wang,* Xiaomin Ma, Siming Huang,* Fang Zhu, Guosheng Chen,* and Gangfeng Ouyang

糖尿病患者的伤口极易受到耐药性细菌感染，以及自身固有的高血糖和缺氧微环境抑制了治疗效率，部分糖尿病人会因伤口感染导致糖尿病足和截肢，严重情况下可威胁患者生命。因此，开发稳定、安全的治疗方法加速糖尿病伤口的治愈可受益数百万人，具有重要的科学和现实意义。

鉴于此，中山大学化学学院欧阳钢锋教授和陈国胜副教授团队、广州医科大学黄思铭教授团队与深圳市人民医院王继刚教授团队合作，利用氢键有机框架（HOF）支架对生物催化剂（葡萄糖氧化酶，GOx；过氧化氢酶，CAT）和光催化剂（Ce6）进行空间组织，率先设计一种HOF催化级联纳米反应器（简称Ce6@EnHOF-101），用于糖尿病伤口治疗。HOF支架能分散和稳定客体分子；同时，长程有序的介孔通道促进传质过程，并可通过光-生物催化级联将过度表达的葡萄糖和H₂O₂连续转化为具有杀伤性质的活性氧物种（ROS）。因此，设计的光-生物催化级联HOF纳米反应器可有效逆转糖尿病伤口的微环境，并通过协同光动力疗法显示出非凡的伤口愈合能力（图1）。

图 1. 用于加速糖尿病伤口愈合的光-生物催化级联HOF纳米反应器的示意图。

在GOx-CAT酶的生物级联过程中，葡萄糖可以被GOx催化转化为葡萄糖酸和H₂O₂，CAT可将内源或新生成的H₂O₂分解为O₂。这种级联反应可以持续清除葡萄糖和H₂O₂，同时补充大量的O₂，从而缓解高血糖和缺氧的微环境。同时，O₂的持续补充也促进了具有杀伤性质的ROS (¹O₂)的生成（图2）。

图2.（A）光-生物催化级联示意图；时间依赖的葡萄糖消耗（B）和氧气生成（C）；（D）¹O₂ 产生的性能。

通过抗菌平板实验（图3A）、细菌形貌分析（图3B）以及活/死细菌染色实验（图3C）证实开发的光-生物催化级联HOF纳米反应器具有非凡的抗菌能力（图3）。

图 3.（A）不同材料处理后的 MRSA 菌落照片（左）及相应的抗菌活性（右）；（B）光-生物催化级联 HOF 纳米反应器在白光照射 10 分钟后 MRSA 的形貌。（C）SYTO9/PI 双色荧光成像用于活（绿色荧光）和死（红色荧光）MRSA 细菌辨别。

小鼠活体实验证明设计的HOFs纳米反应器可通过光-生物催化级联的协同作用，加速糖尿病创面的愈合。同时，HOF的无金属特性以及温和的光-生物催化条件均确保该HOFs纳米反应器的优异生物相容性（图4）。

图 4.（A）MRSA 感染糖尿病小鼠模型的构建示意图及治疗策略；（B）不同处理条件后，各组中 MRSA 感染的糖尿病小鼠的伤口照片；（C）伤口面积随时间变化曲线；（D）治疗 12 天后伤口处的 H&E 和 Masson 组织染色切片图像。

该研究成果以“Photodynamic Hydrogen-Bonded Biohybrid Framework: A Photobiocatalytic Cascade Nanoreactor for Accelerating Diabetic Wound Therapy”为题发表在 JACS Au 期刊上（https://doi.org/10.1021/jacsau.2c00321）。中山大学化学工程与技术学院博士生黄维和深圳市人民医院博士后袁海涛为文章共同第一作者，通讯作者为中山大学化学学院陈国胜副教授、广州医科大学药学院黄思铭教授和深圳市人民医院王继刚教授。同时，该研究得到了中山大学化学学院欧阳钢锋教授、朱芳教授、南方科技大学冷冻电镜中心马晓旻博士的大力支持。

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JACS Au 2022, ASAP

Publication Date: August 19, 2022

https://doi.org/10.1021/jacsau.2c00321

关于 JACS Au

主编：Christopher W. Jones（Georgia Institute of Technology）

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