在全球范围内,慢性、难以愈合的伤口,尤其是那些被耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)和铜绿假单胞菌(PA)等多药耐药菌感染的伤口,构成了严峻的健康威胁。这些顽固的病原体不仅对抗生素产生耐药性,还能形成保护性的生物膜,使得传统单一疗法往往效果不彰。更棘手的是,感染部位的微环境通常呈现酸性且富含活性氧(ROS),这种氧化应激状态会进一步损害宿主细胞功能,抑制血管新生和组织修复,从而陷入感染持续、炎症不退、愈合停滞的恶性循环。面对这一复杂挑战,亟需开发能够同时靶向清除感染、缓解氧化应激并主动促进组织再生的多功能协同治疗策略。
在这一背景下,中国传统医学(TCM)的古老智慧提供了独特的视角。TCM强调复方配伍和多靶点治疗,其“君臣佐使”理论(Jun–Chen–Zuo–[Shi])尤为精妙,通过不同药材的协同作用(Synergistic Effect)达到增效减毒的目的。与此同时,材料科学领域的金属有机框架(Metal-Organic Frameworks, MOFs)因其高比表面积、可调孔径和良好的生物相容性,已成为药物递送(Drug Delivery)的理想平台。将TCM的哲学思想与MOFs的先进技术相结合,有望为慢性伤口治疗开辟新的途径。发表在《Materials Today Bio》上的这项研究,正是这一创新融合的典范。研究人员设计并构建了一种名为BBR+FA@UiO的新型纳米复合材料,旨在模拟“君臣佐使”的配伍原则,实现对耐药菌感染慢性伤口的协同综合治疗。
为开展此项研究,作者团队运用了几个关键的技术方法。他们通过溶剂热法合成了氨基功能化的锆基MOF(UiO-66-NH2),并利用EDC/NHS介导的酰胺化反应将阿魏酸(FA)共价接枝到MOF骨架上,再通过物理吸附负载小檗碱(BBR),成功制备了BBR+FA@UiO纳米复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、动态光散射(DLS)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见光谱(UV-Vis)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X射线衍射(XRD)等技术对材料进行了系统的结构表征。体外功能评价包括:pH/ROS响应性药物释放测定;DPPH•和ABTS•+自由基清除实验评估抗氧化活性;针对MRSA和PA的微量肉汤稀释法测定最小抑菌浓度(MIC)、菌落形成单位(CFU)计数、Live/Dead细菌荧光染色和结晶紫染色法评估抗菌和抗生物膜功效;使用CCK-8法检测细胞毒性,DCFH-DA探针检测细胞内ROS水平,JC-1探针评估线粒体膜电位,以及免疫荧光染色分析Nrf2/Keap1通路蛋白的核转位。在体内实验中,建立了ICR小鼠的MRSA感染全层皮肤伤口模型,通过伤口愈合面积测量、组织细菌负荷测定、苏木精-伊红(H&E)和Masson三色染色进行组织病理学分析,并采用蛋白质印迹(Western Blot)和免疫组织化学/免疫荧光法检测伤口组织中相关蛋白(如CD31, VEGF, Collagen I, Nrf2, HO-1, β-catenin, TGF-β等)的表达水平。生物安全性通过CCK-8细胞毒性试验、溶血试验以及对主要器官(心、肝、脾、肺、肾)的H&E染色切片分析进行评估。
2.1. BBR+FA@UiO的制备与结构表征
研究人员通过共价接枝和物理吸附相结合的方法成功合成了BBR+FA@UiO纳米复合材料。表征结果显示,该材料保持了UiO-66-NH2规整的八面体晶体形态,具有近中性的Zeta电位,有利于胶体稳定性和细胞摄取。XPS、FT-IR、UV-Vis等分析证实了FA的成功接枝和BBR的有效负载。XRD谱图表明复合后MOF的结晶度得以保持。药物负载量(LC)和负载效率(LE)测定显示,BBR的LC为24.76%,LE为59.1%;FA的LC为32.4%,LE为77.4%。材料在生理相关介质中表现出良好的胶体稳定性。
2.2. BBR+FA@UiO表现出强大的双重抗菌和抗生物膜活性
体外抗菌实验表明,BBR+FA@UiO对MRSA和PA均表现出极强的杀菌效果,能显著降低细菌存活率(>98%)并有效破坏预形成的生物膜,其效果远优于单一药物或其物理混合物。其作用机制涉及BBR破坏细菌膜完整性、抑制DNA和蛋白质合成,以及FA干扰细菌群体感应(Quorum Sensing)和关键酶功能,二者在MOF载体中产生协同抗菌效应。
2.3. BBR+FA@UiO的药物释放和抗氧化性能
药物释放实验表明,BBR+FA@UiO具有pH和ROS双重响应释放特性。在模拟感染伤口微环境的酸性(pH 5.5)和高ROS(H2O2)条件下,药物释放显著加速,48小时内累积释放率达90-100%。抗氧化评估显示,BBR+FA@UiO能有效清除DPPH•、ABTS•+以及H2O2和•OH等生理相关ROS,表现出快速、剂量依赖性的自由基清除能力。
2.4. BBR+FA@UiO通过激活Nrf2/Keap1通路减轻氧化应激并保护线粒体功能
在H2O2诱导的RAW264.7巨噬细胞氧化损伤模型中,BBR+FA@UiO能显著降低细胞内ROS水平,恢复细胞活力,并有效维持线粒体膜电位。机制研究表明,其抗氧化作用与激活核因子E2相关因子2(Nrf2)信号通路密切相关:BBR+FA@UiO处理促进了Nrf2的核转位,并上调其下游抗氧化蛋白血红素加氧酶-1(HO-1)和醌氧化还原酶1(NQO1)的表达。
2.5. BBR+FA@UiO减轻氧化应激并促进H2O2损伤下HUVECs的增殖和迁移
在人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的氧化损伤模型中,BBR+FA@UiO处理能有效保护细胞,降低ROS,并显著恢复细胞的增殖(EdU染色显示)和迁移(Transwell实验显示)能力,表明该纳米复合材料有助于改善伤口愈合过程中的血管生成功能。
2.6. BBR+FA@UiO在体内加速伤口愈合并抑制细菌感染
在小鼠MRSA感染伤口模型中,局部应用BBR+FA@UiO能显著促进伤口闭合,几乎完全清除伤口组织中的细菌负载(减少超过90%),且未观察到明显的全身毒性。
2.7. BBR+FA@UiO促进血管生成和胶原沉积以加速伤口组织再生
组织学分析显示,BBR+FA@UiO治疗组伤口再上皮化完全,炎症细胞浸润减少,胶原纤维沉积更丰富、排列更有序。蛋白质印迹和免疫荧光分析证实,该治疗显著上调了血管生成标记物CD31、VEGF、eNOS、HIF-1α和Ang1的表达,以及细胞外基质(ECM)蛋白Collagen I和TIMP-1的表达,表明其能有效促进血管新生和组织重塑。
2.8. BBR+FA@UiO通过激活Nrf2/HO-1抗氧化信号和组织修复通路促进伤口愈合
分子机制深入探讨发现,BBR+FA@UiO治疗还能激活Wnt/β-catenin和TGF-β等促组织再生通路,同时持续增强Nrf2/HO-1抗氧化轴的活性。这表明其通过协同调控抗氧化和组织修复信号网络,共同推动伤口愈合进程。
2.9. BBR+FA@UiO的体外和体内生物安全性评价
生物安全性评估显示,BBR+FA@UiO在有效浓度下对HUVECs和RAW264.7细胞毒性低(活力>90%),溶血率低(<2%),且小鼠静脉给药后主要器官(心、肝、脾、肺、肾)的H&E染色未发现明显病理改变,表明其具有良好的生物相容性。
本研究成功开发了一种受中医“君臣佐使”理论启发的新型MOF纳米复合材料BBR+FA@UiO。该材料将BBR的强效抗菌作用与FA的抗氧化/促修复特性,通过UiO-66-NH2MOF(充当“[使]药”)进行智能递送,实现了协同治疗。研究结果表明,BBR+FA@UiO不仅能有效清除耐药菌和生物膜,还能通过激活Nrf2/HO-1抗氧化通路和Wnt/β-catenin、TGF-β等组织修复通路,显著缓解氧化应激,促进血管生成和胶原沉积,从而在复杂的感染伤口微环境中打破恶性循环,加速伤口愈合。这项工作首次将TCM的配伍原则与MOFs的先进药物递送能力深度融合,构建了一个多功能治疗平台,为治疗耐药菌感染慢性伤口及其他复杂病理条件下的组织修复提供了新的思路和具有转化潜力的候选方案。这种将载体本身转化为主动治疗组件的设计理念,代表了未来药物递送系统发展的一个重要方向。