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西安交大郭保林教授《Natl. Sci. Rev.》：細菌響應(yīng)程序化自激活抗菌水凝膠用于重塑傷口再生微環(huán)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(dǎo)致其周圍的微環(huán)境發(fā)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(huán)境pH值降低。在應(yīng)用抗生素條件下反復(fù)的細菌感染往往是產(chǎn)生耐藥性的罪魁禍首，而傳統(tǒng)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(fù)雜的化學(xué)、物理和生物學(xué)特性，耐藥細菌感染的抗生素治療面臨著重大挑戰(zhàn)，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(yīng)類材料可以通過改變自身的理化性質(zhì)或化學(xué)鍵破壞從而釋放殺菌成分來實現(xiàn)按需抗菌，因此在未來具有廣闊的應(yīng)用前景。具有自主刺激響應(yīng)能力的材料可以及時應(yīng)對傷口微環(huán)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(fā)能對細菌微環(huán)境變化做出反應(yīng)的智能自激活按需抗菌傷口敷料，以實現(xiàn)自我診斷和治療。


  針對以上問題，西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院郭保林教授團隊創(chuàng)新設(shè)計了一種響應(yīng)細菌代謝微環(huán)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(chuàng)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(yīng)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(yīng)運動部位創(chuàng)面的形變保持良好的貼合；PPEL的雙響應(yīng)特性，通過釋放Lox，轉(zhuǎn)化細菌產(chǎn)生的乳酸代謝物為H2O2，增強酸可裂解納米酶MSCO的化學(xué)動力抗菌能力。同時，精氨酸在H2O2產(chǎn)生后通過自身氧化產(chǎn)生NO，進一步聯(lián)合類過氧化物酶活性增強的化學(xué)動力抗菌策略，實現(xiàn)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(diào)節(jié)的氧化應(yīng)激緩解，平衡愈合過程引起的過度反應(yīng)活性氧（ROS）水平，并通過加速血管再生促進創(chuàng)面微環(huán)境重塑？傊，CAOP/M/PL水凝膠通過感染控制、氧化應(yīng)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(zhì)量。 


圖 1 細菌響應(yīng)水凝膠CAOP/M/PL的制備及應(yīng)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(yīng)特性。CAOP/M/PL水凝膠通過pH或酶變化導(dǎo)致水凝膠自身理化性質(zhì)發(fā)生改變，產(chǎn)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(yīng)抗菌特性。CAOP/M/PL水凝膠表現(xiàn)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(xué)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(yīng)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(chuàng)面的修復(fù)能力。CAOP/M/PL水凝膠在小鼠運動部位創(chuàng)面的修復(fù)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(zhì)量。


  該研究為細菌響應(yīng)型智能抗菌水凝膠的設(shè)計和應(yīng)用提供了新思路，相關(guān)研究以“Bacterial responsive programmed self-activating antibacterial hydrogel to remodel regeneration microenvironment for infected wound healing”為題發(fā)表于《National Science Review》。西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)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(xué)前沿科學(xué)技術(shù)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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