溶菌利器:COF纳米反应器开创糖尿病创伤精准治疗新纪元

1、引言

糖尿病创伤易感染细菌,微环境中的高糖浓度促进细菌生长,同时抑制成纤维细胞的迁移和增殖,严重影响创伤修复。传统抗菌药物疗效受生物膜的阻隔作用限制,亟需开发既能有效杀菌,又能促进细胞增殖和迁移的新型疗法。反应性氧簇(ROS)作为强力杀菌剂引起广泛关注,其中羟基自由基(·OH)具有极强的氧化能力,可有效杀灭细菌生物膜。化学动力学疗法(CDT)利用具有过氧化物酶样(POD)活性的金属纳米酶催化H₂O₂生成·OH,但其疗效受到创伤微环境严苛的Fenton反应条件(pH 3.0-4.5)和H₂O₂水平不足的限制。因此,设计能够原位提升H₂O₂水平和降低葡萄糖供给的智能纳米反应器,结合实时监测ROS生成的光热成像技术,有望显著提高CDT疗效并实现准确预后评估。

2、结果与讨论

2.1 构建智能COF纳米反应器及其多酶催化特性

利用亚甲基三苯胺(TTA)、2,2'-联吡啶-5,5'-二甲醛(BPA)和Fe²⁺构建了具有花瓣状纳米片结构的Fe-COF。将葡萄糖氧化酶(GOx)共价偶联到Fe-COF,并用透明质酸(HA)包裹形成COF纳米反应器(COF NRs)。COF NRs能够被细菌分泌的透明质酸酶(HAase)降解,释放出Fe-COF/GOx,使GOx可以催化葡萄糖生成H₂O₂和葡萄糖酸,从而降低局部pH并提供H₂O₂,协同提高Fe-COF的POD活性,从而原位产生大量·OH杀菌。

密度泛函理论计算揭示了Fe-COF的高催化活性源于H₂O₂的低势垒解离和生成·OH的易性。扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征证实了Fe-COF具有有序的多孔结构,能够为GOx提供稳定的固定化环境。傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和动态光散射(DLS)等表征方法验证了GOx和HA的成功负载。酶活测定结果表明,在HAase存在下COF NRs表现出更高的H₂O₂和·OH生成能力,这归因于HA外壳的可降解性能。

此外,作者还研究了温度和近红外(NIR)激光照射对COF NRs酶活性的影响。结果表明,适度的温升和NIR照射都能提高COF NRs的催化活性,为后续应用提供了依据。

2.2 实时监测ROS生成及疗效评估

为实时监测·OH和葡萄糖水平,作者利用临床常用的3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)作为ROS探针,基于TMB在被氧化后(oxTMB)产生的近红外光热信号,建立了便携式近红外光热成像(IRTI)技术。通过连续记录创伤温度变化,可以快速监测ROS和葡萄糖浓度,反映创伤部位细菌水平和杀菌进度。与其他ROS监测手段相比,IRTI具有快速响应、便携性和低成本等优势,为ROS相关治疗过程的现场检测提供了新思路。

我们通过TMB比色法、四氢苯甲酸(TA)苂光探针和电子自旋共振(ESR)等手段,验证了COF NRs和Fe-COF/GOx在葡萄糖存在下具有高效的·OH生成能力。结合H₂O₂检测试剂盒和pH变化监测,进一步证明了GOx在COF NRs中保持良好的催化活性,能够原位提供H₂O₂和降低局部pH。对照实验表明,未经HAase降解的COF NRs在生理条件下催化活性较低,这有助于减少治疗过程中的潜在副作用。

2.3 应用实例及临床转化

基于COF NRs的优异杀菌和创伤修复特性,我们在体外细胞实验和动物模型中进行了验证。结果表明,COF NRs能够通过ROS介导的杀菌作用和葡萄糖降解,有效清除感染部位的细菌,同时改善创伤微环境,促进创面愈合。与单纯CDT或单一酶治疗相比,COF NRs表现出更强的综合疗效。此外,作者通过IRTI技术连续监测创面温度变化,发现其与ROS水平和细菌感染程度呈良好相关,为治疗效果的实时评估和预后预测提供了新思路。

3、结论

通过构建智能COF NRs实现CDT效能提升,同时建立了基于光热成像的ROS实时监测技术,为糖尿病感染性创伤的精准诊治提供了新的策略。该工作不仅改善了CDT的治疗效果,也开拓了ROS监测的新方法,对促进ROS介导的各类治疗技术的发展具有重要意义。

参考文献

X. Zhu, T. Feng, Y. Chen, Y. Xiao, W. Wen, S. Wang, D. Wang, X. Zhang, J. Liang, H. Xiong, Reactive Oxygen-Correlated Photothermal Imaging of Smart COF Nanoreactors for Monitoring Chemodynamic Sterilization and Promoting Wound Healing. Small 2024, 20, 2310247. https://doi.org/10.1002/smll.202310247