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吉林大学林权教授团队 CEJ:葡萄糖响应性水凝胶优化芬顿反应以根除多重耐药细菌促进感染型糖尿病伤口愈合
2024-04-14  来源:高分子科技

  糖尿病患者常见的严重临床问题之一是耐药细菌感染。由于体内血糖水平持续偏高,免疫功能受损,难以有效清除伤口部位的细菌,导致伤口容易受到感染。高血糖环境为细菌提供了更多附着和增殖的机会,导致它们在糖尿病患者的伤口表面形成粘附性生物膜,使其更难被免疫系统和抗生素清除。由于高血糖微环境引起的血管缺陷和耐药细菌的广泛增殖,感染糖尿病伤口的治疗面临着严峻的挑战。


  针对上述挑战,吉林大学林权团队和吉林大学白求恩第二医院手外科瞿文瑞团队合作开发一种具有双重特性的葡萄糖响应性水凝胶敷料系统(CGH),可以有效治疗大鼠耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)感染的伤口并促进伤口愈合。该水凝胶由氧化透明质酸(HA-ALD)原位交联的铜纳米簇(CuNCs)合成的,并负载葡萄糖氧化酶(GOx)。GOx酶降解伤口部位过量的葡萄糖,产生葡萄糖酸和H2O2,并优化芬顿反应的限制因素。pH值降低会削弱 CuNCs 和 HA-ALD 之间的相互作用,促使 CuNCs释放,通过芬顿反应降解H2O2来催化产生活性氧 (ROS)。这个过程可以消灭耐药细菌。此外,CuNCs赋予水凝胶优异的导电性,从而能够通过电刺激(ES)促进血管形成,从而促进伤口周围的组织修复。这项研究工作所开发的新型多功能伤口愈合系统可以适应不规则的伤口形状,降低伤口内的葡萄糖水平,建立持续的无菌环境,并通过电刺激促进血管形成。


  该工作以“Glucose-Responsive hydrogel optimizing Fenton reaction to eradicate multidrug-resistant bacteria for infected diabetic wound healing” 为题发表在《Chemical Engineering Journal》。文章第一作者为吉林大学博士李星辰。通讯作者为吉林大学化学学院林权教授、吉林大学第二医院瞿文瑞副主任医师。


Scheme 1制备CGH水凝胶的关键步骤及其在糖尿病伤口愈合中的相关主要机理途径。


图 1. (a) CuNCs的TEM图像。(b) CuNCs 的尺寸分布直方图。(c) CGH水凝胶的SEM图像。(d) CGH水凝胶的凝胶化过程。(e) CGH的XPS 光谱中(f) Cu 2p 和 (G) C 1s 的高分辨率XPS光谱。


图 2. CGH 的抗菌机理研究。(a) MRSA在不同处理下的扫描电镜图像:(I) PBS,(II) CGH+Glu。(b) MRSA在(I) PBS、(II) CGH+Glu 处理后的 TEM 图像。(c) CuNCs 与 MRSA 作用前后的 Zeta 电位。(d)从受损 MRSA 细胞中析出的蛋白质。


图 3. CGH水凝胶在促进 糖尿病伤口感染MRSA的愈合效果。(a) TIDM大鼠感染伤口愈合过程中不同时期伤口的代表性照片。(b) 伤口残留面积比的定量结果。(c) H&E 和 Masson染色的代表性图像。(d) HE染色测量伤口长度。(e)肉芽组织厚度的统计数据。(f)胶原沉积的平均荧光密度。


  该团队开发的葡萄糖响应优化芬顿反应因子水凝胶,有效解决高血糖环境下耐药细菌感染和伤口愈合等问题,这种多功能水凝胶具有优异的抗菌性、自愈性、导电性、机械稳定性和化学动力学治疗策略。CuNCs通过级联反应产生大量的·OH,对耐药细菌具有出色的抵抗力,并有助于抑制细菌性炎症,促进伤口愈合从炎症阶段到增殖阶段的快速转变。同时,GOx能有效降低伤口中的血糖,优化芬顿反应显著增强抗菌效果。此外,引入电刺激有利于水凝胶与周围组织之间的电子传输和信息交换,促进血管再生,加快伤口愈合。CGH 水凝胶在治疗 MRSA 感染的糖尿病伤口方面表现出超越传统抗生素和敷料的独特优势。


  原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150545

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(责任编辑:xu)
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