通过工程化设计实现神经血管耦合与免疫调节，利用释放一氧化氮（NO）和氧气（O₂）的纳米酶水凝胶加速糖尿病伤口愈合过程

时间：2026年3月20日

来源：Journal of Controlled Release

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糖尿病伤口微环境复杂，涉及血管新生障碍、神经病变和免疫失调。本研究开发了一种UV光交联的Gel-DA/LQCS水凝胶，集成Cu/Mg-多酚纳米酶（PTA-Cu-Mg/BNN6）作为功能核心，通过近红外（NIR）光触发释放NO和催化分解H2O2持续产O2。实验证实该水凝胶能抑制细菌感染、调控巨噬细胞向M2型极化、促进血管内皮细胞增殖和神经再生，显著加速糖尿病感染性伤口愈合。

何长元|吴叶|甘廷江|龚恒|杨学坤|马希坤|尹世久|邓向天|曹彪|李雅星|张辉|严斌

四川大学生物质量科学与工程学院，骨科外科系及骨科研究所，中国成都610065

摘要

糖尿病伤口复杂的病理微环境——其特征是血管生成受损、神经病变、细菌感染和免疫功能障碍——严重扰乱了正常的愈合过程。本研究提出了一种级联纳米酶水凝胶敷料，该敷料能够释放一氧化氮（NO）和氧气（O₂），以增强神经-血管耦合和免疫调节，从而加速糖尿病伤口的修复。这种水凝胶在紫外光照射下迅速形成，其粘合基质由多巴胺改性的明胶（Gel-DA）和季铵-硫辛酸改性的壳聚糖（LQCS）组成，功能核心是负载了一氧化氮供体BNN6的Cu/Mg-单宁酸纳米酶（PTA-Cu-Mg/BNN6）。在这种设计中，Gel-DA和LQCS基质提供了优异的组织粘附性和固有的抗菌能力，而PTA-Cu-Mg/BNN6纳米酶则实现了近红外（NIR）触发的一氧化氮释放，并能类似过氧化氢酶地分解内源性H₂O₂，从而持续产生氧气（O₂）。在NIR照射下，水凝胶同时释放的一氧化氮和氧气表现出显著的抗菌活性，促进了巨噬细胞向M2表型的极化，增强了内皮细胞增殖和血管生成基因的表达，并促进了神经突起的生长。体内实验结果证实，该水凝胶通过消灭细菌、调节免疫微环境以及协同促进血管生成和神经再生，显著加速了感染性糖尿病伤口的愈合。这种易于制备的NO/O₂释放级联纳米酶水凝胶代表了一种具有巨大临床转化潜力的治疗策略。

引言

糖尿病伤口是糖尿病的一种严重并发症，影响约15%的糖尿病患者，其高致残率和死亡率对患者的生活和健康构成了严重威胁，并且是全球重要的经济和医疗负担[1]，[2]。通常，伤口愈合经历四个连续且重叠的阶段：止血、炎症、增殖和重塑[3]，[4]。值得注意的是，血管和神经在伤口愈合中起着关键作用，它们通过调节血流、输送氧气和营养物质、传递信号分子以及通过神经-血管耦合来协调愈合过程的进展[5]，[6]，[7]，[8]。然而，糖尿病伤口中的持续高血糖会导致代谢紊乱，引发血管生成受损和神经病变[9]，[10]。血管生成受损不仅限制了氧气和营养物质向皮肤神经的输送，还会由于伤口区域的“缺血-再灌注”循环而引发氧化损伤，从而显著阻碍糖尿病伤口的愈合[11]，[12]。此外，神经损伤会导致神经性疼痛和感觉丧失、神经营养因子（如VEGF）的分泌减少，以及神经肽对血管收缩和通透性的调节紊乱，这会引发一个恶性循环，显著增加截肢的风险[13]，[14]，[15]，[16]。因此，开发能够促进血管生成和促进神经修复的新策略对糖尿病伤口的治疗具有重要意义。

气体疗法是一种“绿色”治疗策略，在组织再生领域受到了广泛关注，因为它简单、安全且有效[17]，[18]。作为关键的内源性信号分子，一氧化氮（NO）和氧气（O₂）在伤口修复中发挥着重要作用，它们具有抗菌、抗炎、免疫调节、血管稳态和神经调节功能[19]，[20]，[21]，[22]。研究表明，增加外源性NO的供应可以通过扩张血管来改善局部血液供应，促进血管内皮细胞的增殖和迁移以及周围神经的修复[23]。另一方面，氧气（O₂参与细胞能量代谢，为细胞增殖、迁移和分化提供能量基础，确保组织再生的持续进行[24]。外源性O₂可以上调内皮细胞和巨噬细胞中的VEGF mRNA水平，从而增强伤口中的VEGF蛋白表达，促进血管生长[25]，[26]。一氧化氮（NO）改善血流并促进神经修复，而氧气（O₂改善缺氧状态并激活血管和组织再生，两者的协同作用可以有效逆转“血管-神经”损伤的恶性循环，加速从炎症阶段向增殖和重塑阶段的过渡[23]，[27]。然而，糖尿病伤口中的一氧化氮（NO）和氧气（O₂水平显著低于正常伤口，严重阻碍了糖尿病伤口的愈合[28]，[29]。

幸运的是，越来越多的结合了一氧化氮（NO）和氧气（O₂的治疗策略被开发出来，通过加速血管和神经修复、增强神经-血管耦合以及改善伤口微环境来促进糖尿病患者的伤口愈合[23]，[30]，[31]。其中，具有时空可控释放特性的近红外（NIR）介导的一氧化氮释放策略在气体疗法中具有巨大应用潜力[32]，[33]。此外，纳米酶介导的氧气（O₂释放策略具有低成本和高稳定性的优势，被认为是一种潜在的伤口修复氧化剂[27]，[34]，[35]。金属-多酚人工纳米酶由金属离子和天然多酚通过配位形成，在生物医学领域得到了广泛研究，因为它们具有良好的生物相容性、简单的制备方法和易于修改[35]，[36]。值得注意的是，配位的金属离子还可以赋予纳米颗粒额外的生物活性（如抗菌、血管生成和神经修复等）。因此，结合NIR介导的一氧化氮释放策略和金属-多酚人工纳米颗粒酶介导的氧气（O₂释放策略，在伤口部位增强神经-血管耦合和促进糖尿病伤口愈合方面具有很大的前景。

单宁酸（TA）是一种含有大量儿茶酚和没食子酰结构的植物多酚，具有与多种金属离子强烈的螯合作用能力[37]，[38]。近年来，基于单宁酸的金属-多酚人工纳米酶在组织再生领域得到了广泛研究，因为它们制备简单、生物相容性好且具有强大的多酶催化活性，能够很好地模拟天然过氧化物酶体[36]，[39]。然而，目前大多数基于单宁酸的金属-多酚人工纳米酶仅由单一金属离子和单宁酸配体组成，因此缺乏足够的生物活性来有效应对糖尿病伤口的复杂微环境。开发含有双金属离子和单宁酸配位的双金属-多酚人工纳米酶是一种有效的策略[40]。此外，含有大量酚羟基和共轭结构的基于单宁酸的金属-多酚人工纳米酶具有强NIR光吸收特性，是良好的光热试剂[41]。利用单宁酸介导的多种相互作用（如氢键和π–π堆叠），将NIR响应性的一氧化氮供体加载到基于单宁酸的金属-多酚人工纳米酶上，可以实现纳米酶介导的氧气（O₂疗法和NIR介导的一氧化氮疗法的有效整合，这是一种高度创新和高效的策略[42]。此外，水凝胶具有与细胞外基质相似的特性，使其成为药物输送和伤口敷料的理想平台[43]，[44]，[45]。因此，我们假设将含有NO供体的基于单宁酸的双金属-多酚纳米酶整合到水凝胶平台上，通过加速血管生成、神经修复和免疫调节来促进糖尿病伤口愈合，是一种非常有前景的治疗策略，这一策略很少被探索。

在这里，我们开发了一种多功能水凝胶敷料，能够释放一氧化氮（NO）和氧气（O₂，以加速糖尿病伤口的愈合（图1）。这种水凝胶系统被称为LQCG/PCMB，通过紫外光照射下的快速一步法制备而成，其基质由季铵-硫辛酸改性的壳聚糖（LQCS）和多巴胺改性的明胶（Gel-DA）组成，并负载了负载有一氧化氮供体BNN6的Cu/Mg-单宁酸级联纳米酶（PTA-Cu-Mg/BNN6）。这种设计实现了NIR触发的一氧化氮释放和类似过氧化氢酶的内源性H₂O₂分解，从而持续产生氧气（O₂）。所得到的水凝胶不仅促进了血管生成和神经生成，还增强了整个糖尿病伤口的愈合过程。此外，整合的PTA-Cu-Mg/BNN6纳米酶表现出强大的抗氧化活性，有效引导巨噬细胞向抗炎M2表型极化，并改善了炎症性伤口微环境。综上所述，这种结合了一氧化氮（NO）/氧气（O₂的气体疗法策略在糖尿病伤口护理中具有很强的临床转化潜力，有效减轻了感染，同时协同增强了神经-血管耦合和免疫调节。

结果与讨论

负载有一氧化氮供体的Cu/Mg双金属-多酚纳米酶（PCuMgB）是通过两步法合成的[38]，[46]。首先，使用Cu²⁺和Mg²⁺作为金属中心，单宁酸（TA）作为多酚配体，通过甲醛辅助的金属-多酚交联反应合成了PCuMg纳米颗粒[38]。随后，在避光条件下，利用π-π相互作用将BNN6加载到PCuMg颗粒上，从而合成了PCuMgB纳米颗粒（图1a）。PCuMg纳米颗粒的形态...

结论

总之，我们制备了一种含有NO和氧气（O₂释放功能的复合水凝胶敷料，该敷料由改性的壳聚糖、改性的明胶以及负载有一氧化氮供体的双金属-多酚纳米颗粒组成。LQCG/PCuMgB水凝胶具有良好的生物相容性和组织粘附性。PCuMgB纳米颗粒赋予了水凝胶NIR介导的一氧化氮释放和金属-多酚介导的氧气（O₂释放特性。在NIR照射下，LQCG/PCuMgB水凝胶...

实验部分

纳米颗粒和水凝胶的制备和表征方法详见支持信息。

作者贡献声明

何长元：撰写——原始草稿、方法学、数据管理。吴叶：方法学、研究。甘廷江：研究。龚恒：撰写——原始草稿、方法学、数据管理。杨学坤：可视化、验证。马希坤：软件、数据管理。尹世久：软件、数据管理。邓向天：可视化、验证。曹彪：可视化、验证。李雅星：撰写——审稿与编辑、监督。张辉：撰写——审稿与编辑，