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西安交大郭保林教授《Natl. Sci. Rev.》:細(xì)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(jìn)感染傷口愈合
2024-02-16  來源:高分子科技

  細(xì)菌感染會(huì)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(xì)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(xì)菌感染往往是產(chǎn)生耐藥性的罪魁禍?zhǔn)祝鴤鹘y(tǒng)的抗生素治療無法有效破壞耐藥細(xì)菌形成嚴(yán)重感染。因此,基于細(xì)菌感染傷口復(fù)雜的化學(xué)、物理和生物學(xué)特性,耐藥細(xì)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(xì)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(shí)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(shí)應(yīng)對(duì)傷口微環(huán)境的變化,最大限度地抑制感染。鑒于細(xì)菌感染的多因素特點(diǎn),亟需開發(fā)能對(duì)細(xì)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(shí)現(xiàn)自我診斷和治療。


  針對(duì)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(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種響應(yīng)細(xì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)部位創(chuàng)面的形變保持良好的貼合。基于PPEL的雙響應(yīng)特性,通過釋放Lox,轉(zhuǎn)化細(xì)菌產(chǎn)生的乳酸代謝物為H2O2,增強(qiáng)酸可裂解納米酶MSCO的化學(xué)動(dòng)力抗菌能力。同時(shí),精氨酸在H2O2產(chǎn)生后通過自身氧化產(chǎn)生NO,進(jìn)一步聯(lián)合類過氧化物酶活性增強(qiáng)的化學(xué)動(dòng)力抗菌策略,實(shí)現(xiàn)傷口感染的有效控制和細(xì)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(jìn)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。 


 1 細(xì)菌響應(yīng)水凝膠CAOP/M/PL的制備及應(yīng)用示意圖。 


 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(yùn)動(dòng)部位的物理屏障。 


 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(shí)削弱抗氧化成分的防御潛力。 


 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(qiáng)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(xì)菌。CAOP/M/PL水凝膠通過增強(qiáng)的化學(xué)動(dòng)力治療幾乎完全根除MRSA生物膜。 


 5 CAOP/M/PL水凝膠的抗氧化、促HUVEC細(xì)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(jìn)HUVEC細(xì)胞的遷移和小管形成。 


 6 CAOP/M/PL水凝膠對(duì)MRSA感染運(yùn)動(dòng)創(chuàng)面的修復(fù)能力。CAOP/M/PL水凝膠在小鼠運(yùn)動(dòng)部位創(chuàng)面的修復(fù)中能夠有效控制細(xì)菌感染,通過加速傷口上皮化、促進(jìn)細(xì)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(xì)菌響應(yīng)型智能抗菌水凝膠的設(shè)計(jì)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(jiǎn)介:https://gr.xjtu.edu.cn/web/baoling/home

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