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對于難以治愈的慢性糖尿病傷口，氧化應(yīng)激和長期輕度炎癥是影響傷口愈合的關(guān)鍵性因素。與正常傷口愈合過程不同，慢性糖尿病傷口通常延長或停滯在炎癥階段。過量自由基（包括活性氧（ROS）和活性氮（RNS））引發(fā)的氧化應(yīng)激導(dǎo)致?lián)p傷修復(fù)早期增強(qiáng)炎癥反應(yīng)、后期引起氧損傷抑制細(xì)胞行為和組織再生。因此，清除過量ROS/RNS是加速慢性糖尿病創(chuàng)面修復(fù)的有效策略之一。由于抗氧化酶的功能降低，糖尿病微環(huán)境中ROS和抗氧化劑之間的平衡被打破。近年來，以氧化鐵、二氧化鈰、氧化錳等為代表的無機(jī)納米酶，由于其類酶催化功能，廣泛用于調(diào)節(jié)ROS水平。與無機(jī)納米酶的潛在生物毒性和不可降解性相比，天然多酚（例如:單寧酸、沒食子酸、茶多酚等）由于酚羥基的自由基清除特性被認(rèn)為是良好的生物相容性抗氧化劑和抗炎劑。然而，酚羥基的穩(wěn)定性使得這些分子催化效率不高且難以實現(xiàn)可持續(xù)的抗氧化過程。將小分子多酚類化合物嵌入生物金屬有機(jī)骨架（bio-MOF）中是提高催化效率和生物利用度的一種有效途徑。直接引入抗氧化劑小分子作為MOF的配體并通過體內(nèi)降解釋放它們避免了在通過MOF孔徑負(fù)載的藥物遞送期間由非活性配體的降解引起的額外的毒副作用。同時，生物活性金屬離子被用作中心離子，以賦予bio-MOF更多的生物效應(yīng)。然而，bio-MOF在水中的不穩(wěn)定性是限制其發(fā)展的關(guān)鍵因素。穩(wěn)定的MOF結(jié)構(gòu)具有更廣泛的應(yīng)用潛力。

針對上述問題，武漢理工大學(xué)戴紅蓮教授，提出了一種通過沒食子酸-鎂金屬有機(jī)框架（Mg-GA MOF）持續(xù)調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激微環(huán)境的策略，并基于海藻酸鈉（SA）/殼聚糖季銨鹽（HACC）開發(fā)了可噴涂水凝膠敷料來治療糖尿病傷口。殼聚糖季銨鹽具有抗菌性能，可預(yù)防創(chuàng)面細(xì)菌感染。具有類酶催化功能的Mg-GA MOF在早期快速清除活性氧并加速M(fèi)1型巨噬細(xì)胞向M2型的極化。修復(fù)后期維持氧化還原平衡并通過鎂離子輔助治療促進(jìn)血管再生和神經(jīng)元形成?？蓢娡克z敷料通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激水平，促進(jìn)神經(jīng)血管網(wǎng)絡(luò)重建，加速上皮再生和膠原蛋白沉積，快速修復(fù)糖尿病傷口。該成果于2024年05月01日以《Mg-gallate metal-organic framework-based sprayable hydrogel for continuously regulating oxidative stress microenvironment and promoting neurovascular network reconstruction in diabetic wounds》為題發(fā)表于《Bioactive Materials》（DOI: 10.1016/j.bioactmat.2024.04.028）。

研究示意圖

（1）Mg-GA MOF連續(xù)釋放沒食子酸

采用微波輔助合成技術(shù)制備沒食子酸-鎂金屬有機(jī)骨架（Mg-GA MOF），并在合成過程中加入二甲基甲酰胺（DMF）以優(yōu)化合成方法。與在高溫（>120℃）下需要較長時間（12~24h）的傳統(tǒng)水熱合成法相比，該方法在相對較短的時間內(nèi)（30min）快速獲得單分散、粒徑均勻的Mg-GA MOF。隨著DMF濃度從20%增加至80%，Mg-GA MOF形態(tài)從雙錐形變?yōu)榱⒎襟w，最終為球形。在60% DMF/水體系中，Mg-GA MOF的元素分布均勻，XRD分析顯示結(jié)構(gòu)未改變，但衍射強(qiáng)度隨DMF濃度增加而降低。熱重分析確認(rèn)了Mg-GA MOF的化學(xué)式。微波輔助合成方法相比傳統(tǒng)水熱法，能快速制備出均勻的Mg-GA MOF，且DMF的存在對結(jié)晶度影響較小。DMF的極性增強(qiáng)和水解產(chǎn)物的調(diào)節(jié)作用加速了反應(yīng)速率。不同形態(tài)的Mg-GA MOF在PBS中降解和GA釋放速率不同，60% DMF/水體系下制備的Mg-GA MOF穩(wěn)定性最高。

圖1. Mg-GA金屬有機(jī)框架(MOF)具有可控的形態(tài)，可連續(xù)釋放沒食子酸。A) 不同DMF/水溶劑系統(tǒng)制備的Mg-GA MOF形態(tài)和在磷酸鹽緩沖液(PBS, pH 7.4)中降解后的Mg-GA MOF形態(tài)的代表性SEM顯微照片。B) Mg-GA MOFs的X射線衍射(XRD)圖譜。C) 在不同DMF/水系統(tǒng)中制備的Mg-GA MOF在PBS (pH 7.4)中的GA釋放曲線。D) 在60% DMF/水系統(tǒng)中合成的Mg-GA MOFs在去離子水、PBS (pH 7.4)和細(xì)胞培養(yǎng)基中的釋放行為。E) DMF調(diào)節(jié)晶體形態(tài)的機(jī)制

（2）Mg-GA MOF清除ROS的酶催化作用

通過檢測對硝基四氮唑藍(lán)(NBT)還原的抑制來測定Mg-GA MOF的SOD樣活性。結(jié)果顯示Mg-GA MOF組在560 nm處的低吸收峰，表明Mg-GA MOF的SOD樣能力。同時，隨著濃度的增加，Mg-GA MOF的類SOD能力明顯提高(圖2B)。H₂O₂清除率隨著Mg-GA MOF濃度的增加而顯著增加(圖2C)。結(jié)果表明，Mg-GA MOF (CMg-GA MOF = 500 μg/mL)孵育后，H₂O₂清除率為42.9 %。Mg-GA MOF具有類似CAT的清除H₂O₂的催化能力，與AA沒有顯著差異。但反應(yīng)速率大于Mg-GA MOF中所含相同量的GA，這可能是由于Mg-GA MOF吸附H₂O₂加快了反應(yīng)速率，或與其表面活性位有關(guān)。值得注意的是，Mg-GA MOF的CAT樣活性的劑量依賴性小于SOD樣活性的劑量依賴性。Mg-GA MOF對?OH的清除能力與GA相似，但低于AA（圖2D）。此外，Mg-GA MOF在清除DPPH自由基方面表現(xiàn)出色，其效果優(yōu)于傳統(tǒng)抗氧化劑抗壞血酸（圖2E）。總體而言，Mg-GA MOF通過其酶催化能力清除多種活性氧自由基，維持氧化還原平衡，并在清除O2?-和H2O2方面顯示出潛在優(yōu)勢。同時，Mg-GA MOF在低劑量下能有效清除RNS，避免了過氧亞硝酸鹽陰離子（ONOO-）的積累和亞硝化應(yīng)激。

圖2. Mg-GA MOF具有酶催化功能，可以清除ROS。A) Mg-GA MOF清除ROS和RNS的機(jī)制。包括B) O2?-，C) H₂O和D) ?OH的ROS清除率。E) Mg-GA MOF的DPPH?-清除率

（3）Mg-GA MOF的體外抗炎和抗氧化能力

為了研究Mg-GA MOF是否能降低炎癥環(huán)境下的氧化應(yīng)激，我們采用活性氧熒光探針2,7-二氯氫熒光素二乙酸酯（DCFH-DA）檢測細(xì)胞內(nèi)ROS含量。由圖3A和B可以看出，LPS組扁平的煎餅狀細(xì)胞（M1型）具有較強(qiáng)的綠色熒光，而對照組的ROS含量較少，LPS + Mg-GA MOF處理組轉(zhuǎn)化為長紡錘形細(xì)胞（M2型），其ROS+綠色熒光強(qiáng)度明顯降低。提示LPS在刺激RAW264.7炎癥反應(yīng)的同時，產(chǎn)生大量細(xì)胞內(nèi)ROS，增加氧化應(yīng)激水平。Mg-GA MOF通過降低細(xì)胞內(nèi)ROS水平和改善炎癥介質(zhì)來調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的極化。LPS和Mg-GA MOF處理后的RAW 264.7的SEM圖像再次證實了巨噬細(xì)胞極化（圖3C）。與未處理組比較，Mg-GA MOF處理后，LPS誘導(dǎo)的細(xì)胞由立體球形（紫色細(xì)胞，M0型）變?yōu)楸馄奖★灎睿ㄋ{(lán)色細(xì)胞，M1型），再變?yōu)殚L梭形（橙色細(xì)胞，M2型）。圖3C - G為免疫熒光圖像及流式細(xì)胞術(shù)和半定量分析結(jié)果。LPS刺激后，RAW264.7細(xì)胞CD86+含量顯著增加，表明細(xì)胞向M1型分化。隨后，Mg-GA MOF孵育后，CD206+細(xì)胞含量顯著增加，表明RAW264.7細(xì)胞由M1向M2極化，由促炎狀態(tài)向抗炎狀態(tài)轉(zhuǎn)變。同時，LPS+Mg-GA MOF處理后細(xì)胞CD86+/CD206+值顯著低于對照組和LPS組。結(jié)果表明，Mg-GA MOF能促進(jìn)RAW264.7細(xì)胞M1向M2的極化，并具有體外抗炎活性。為了進(jìn)一步驗證Mg-GA MOF對不同皮膚細(xì)胞的保護(hù)作用，我們使用活性氧熒光探針DCFH-DA檢測細(xì)胞內(nèi)ROS水平。直接暴露于H2O2而無pro保護(hù)的組細(xì)胞可見高強(qiáng)度的綠色熒光，證實氧損傷后細(xì)胞內(nèi)ROS水平顯著升高（p < 0.0001）。然而，預(yù)培養(yǎng)Mg-GA MOF組的熒光強(qiáng)度與對照組相當(dāng)，表明細(xì)胞未被氧損傷（圖3H-K）。因此，由于沒食子酸的抗氧化作用，Mg-GA MOF在抵抗H2O2攻擊和避免細(xì)胞氧損傷方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

圖3. Mg-GA MOF在體外具有抗炎和抗氧化作用。A) 明場和ROS熒光合并圖像以及B) RAW 264.7細(xì)胞內(nèi)ROS熒光強(qiáng)度。標(biāo)尺：50微米。C) LPS和Mg-GA MOF處理后RAW 264.7的代表性SEM圖像和免疫熒光圖像，用于CD86+和CD206+（M0型為紫色；M1型為藍(lán)色細(xì)胞；M2型為橙色細(xì)胞）。D) RAW 264.7流式細(xì)胞術(shù)結(jié)果和E-G) CD86+和CD206+的半定量分析。H-K) Mg-GA MOF保護(hù)hUVEC、L929和HaCaT細(xì)胞免受氧損傷和細(xì)胞內(nèi)ROS熒光強(qiáng)度分析

（4）Mg-GA MOF增強(qiáng)體外內(nèi)皮細(xì)胞遷移和小管形成

血管生成對組織再生至關(guān)重要，依賴于血管內(nèi)皮細(xì)胞的遷移和網(wǎng)絡(luò)形成。通過劃痕實驗，發(fā)現(xiàn)Mg-GA MOF處理的hUVEC細(xì)胞遷移范圍大于未處理組，24小時后移動率顯著提高。這表明Mg-GA MOF通過釋放Mg²⁺促進(jìn)細(xì)胞遷移。此外，管狀結(jié)構(gòu)形成實驗顯示，Mg-GA MOF組的hUVEC細(xì)胞在形成管狀結(jié)構(gòu)方面優(yōu)于對照組，3小時后分支數(shù)量和長度是對照組的4倍，6小時后效果依然顯著。綜上所述，Mg-GA MOF能顯著促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞遷移和管狀結(jié)構(gòu)形成，對血管再生具有重要作用。

圖4. 鎂-甘氨酸MOF的血管生成效應(yīng)。通過劃痕實驗評估了鎂-甘氨酸MOF對hUVEC細(xì)胞遷移A)和細(xì)胞移動速率C)的影響，從0到24小時。B) 鎂-甘氨酸MOF促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的體外管狀結(jié)構(gòu)形成。3小時和6小時處理后的代表性明場圖像以及D) 分支數(shù)量和F) 管道長度的半定量統(tǒng)計

（5）基于鎂-GA MOF的可噴霧抗菌凝膠敷料

水凝膠敷料的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)化是通過A溶液和B溶液的相互噴涂實現(xiàn)的，其中A溶液為海藻酸鈉（SA）水溶液，B溶液為含有Mg-GA MOF的殼聚糖季銨鹽（HACC）鈣離子溶液。霧化后的SA和鈣離子溶液在大約幾十秒內(nèi)快速交聯(lián)（圖5A-C）。Mg-GA MOF與革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌（S. aureus, BNCC 186335）孵育24 h后，CFU實驗和半定量結(jié)果顯示，隨著Mg-GA MOF或GA濃度的增加，對金黃色葡萄球菌的抑制作用增強(qiáng)，且Mg-GA MOF對金黃色葡萄球菌的半抑制濃度（IC 50）低于GA（圖5D和F）。圖5E和G為Gel/MOF、Gel/GA和Gel（不含MOF的水凝膠敷料）孵育24 h后的抑制區(qū)和抑菌圈直徑。Gel、Gel/GA和Gel/MOF均能抑制金黃色葡萄球菌的生長。凝膠/MOF對金黃色葡萄球菌生長的抑制作用更強(qiáng)，抑制圈直徑為3.66±1.05 mm，明顯優(yōu)于凝膠和凝膠/GA（抑制圈直徑分別為1.89±0.12 mm和3.14±0.08 mm）。

圖5. 含有Mg-GA MOF的可噴灑水凝膠敷料在細(xì)菌抑制方面有效。A) 可噴灑水凝膠敷料的制備示意圖。B) 噴涂Gel/MOF水凝膠敷料。C) 水凝膠敷料成型圖像。代表性圖像D) 顯示Mg-GA MOF和GA對S. aureus的抑制作用以及抑制率F)，通過菌落形成單位(CFU)確定。E和G) 抑菌圈測試評估了Gel、Gel/GA和Gel/MOF水凝膠敷料對S. aureus的影響（PBS為不含GA和MOF的Gel，MOF為含MOF的Gel，GA為含GA的Gel）。H) Gel/MOF抗菌效果機(jī)制圖

（6）可噴霧水凝膠敷料在體內(nèi)加速糖尿病傷口愈合

在db/db糖尿病小鼠中評估了Gel/MOF對直徑為6 mm的全層皮膚缺損的影響（圖6A）。如圖6B-D所示，術(shù)后前3天各組間無明顯差異。第4天，凝膠/MOF的創(chuàng)面面積減少到57.95±4.45%。明顯小于對照組和凝膠組。8 d后，凝膠處理組創(chuàng)面面積較對照組減少，但與凝膠/MOF組仍有顯著差異。H&E染色結(jié)果如圖6E–F所示。雖然在用凝膠和凝膠/MOF處理后，再生表皮的厚度與對照組沒有太大差異，但對照組可以清楚地識別傷口的位置。同時，與凝膠組中的基本傷口愈合相比，凝膠/MOF組中的傷口完全愈合并且?guī)缀跖c周圍的皮膚組織相同，并且可以看到更多的血管、毛囊和皮脂腺。為了評估對上皮再形成的影響，我們在第16天使用K14和K10對組織切片進(jìn)行染色。與凝膠組相比，用凝膠/MOF處理的組中細(xì)胞角蛋白的總量顯著增加，并且K10和K14的表皮中的含量分別從80.76 %增加到90.36 %和從59.85 %增加到62.27 %(圖6J和K)。值得注意的是，對照組在低K14水平下K10分泌過多，并伴有顆粒層邊界不明顯，顆粒層和棘層增厚(圖6H)。通過Masson染色檢測再生組織的膠原沉積(圖6E和G)。觀察到凝膠和凝膠/MOF組顯示出比對照組明顯更多的膠原沉積，并且凝膠/MOF組比凝膠組高約1.18倍。通過天狼猩紅染色進(jìn)一步分析膠原沉積的類型(圖6I和L)。第16天，對照組膠原呈黃綠色，經(jīng)凝膠和凝膠/MOF處理后變?yōu)槌赛S色和鮮紅色。

圖6. 可噴灑的水凝膠敷料在體內(nèi)加速了糖尿病傷口愈合。A) 在db/db小鼠傷口模型中可噴灑水凝膠敷料治療的示意圖。B) db/db小鼠傷口的代表性照片，C) 傷口追蹤疊加圖像，以及D) 手術(shù)后1、4、8、12和16天有無凝膠和凝膠/MOF處理的傷口面積。E) 第16天再生皮膚的H&E和Masson染色。F) H&E染色中再生組織上皮厚度和G) 馬松染色中總膠原沉積的半定量分析。H) 第16天再生上皮中的細(xì)胞角蛋白10（K10，紅色）和細(xì)胞角蛋白14（K14，綠色）免疫熒光染色和J-K) 半定量分析。I) 第16天再生皮膚中I型和III型膠原的分布，通過天狼星紅染色。L) 膠原I/III比率的定量

（7）凝膠/MOF抑制氧化應(yīng)激，調(diào)節(jié)糖尿病傷口炎癥反應(yīng)

進(jìn)行了一系列實驗來驗證凝膠/MOF可以通過減少氧化應(yīng)激和調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)來加速體內(nèi)的炎癥-增殖轉(zhuǎn)變。首先，凝膠和凝膠/MOF處理顯著降低了總細(xì)胞內(nèi)ROS含量(圖7A和B)。在第8天，與對照組相比，在凝膠和凝膠/MOF處理后，ROS+細(xì)胞的密度顯著降低。特別是，凝膠/MOF的ROS+細(xì)胞密度顯著低于凝膠組(p < 0.01)，表明MOF的存在增加了ROS-清除并大大緩解了糖尿病傷口中氧化應(yīng)激的微環(huán)境。在炎癥的早期，M1巨噬細(xì)胞分泌促炎因子來激活炎癥反應(yīng)。在炎癥晚期和增殖早期，M1巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化為M2。選擇腫瘤壞死因子(TNF-α)、白細(xì)胞介素-10 (IL-10)和白細(xì)胞介素-4 (IL-4)作為代表性的促炎或抗炎因子，以評估凝膠/MOF在糖尿病傷口早期修復(fù)中的炎癥調(diào)節(jié)。結(jié)果顯示，盡管凝膠/MOF組中TNF-α基因表達(dá)沒有顯著降低，但凝膠/MOF組中抗炎因子IL-10和IL-4的表達(dá)顯著高于對照組和凝膠組(圖7C–E)。此外，從凝膠和凝膠/MOF組中提取炎癥相關(guān)蛋白，然后使用細(xì)胞因子蛋白陣列進(jìn)行檢測(圖7F和G)。凝膠/MOF組的促炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-1α (IL-1α)、白細(xì)胞介素-16 (IL-16)、C–C基序趨化因子配體3 (CCL3)、CX-C基序趨化因子配體2 (CXCL2)和C-X-C基序趨化因子配體3 (CXCL3)減少，而抗炎因子IL-1ra增加。結(jié)果表明，在凝膠敷料中添加MOF增強(qiáng)了M1巨噬細(xì)胞向M2型的極化，并主動調(diào)節(jié)炎癥微環(huán)境以促進(jìn)傷口愈合。

圖7. 含有Mg-GA MOF的可噴涂水凝膠敷料在糖尿病傷口中調(diào)節(jié)炎癥細(xì)胞因子表達(dá)并抑制氧化應(yīng)激。A) 第8天H2DCFDA（紅色）的免疫熒光染色和B) ROS+細(xì)胞密度。標(biāo)尺：50微米。C) 第8天糖尿病傷口中腫瘤壞死因子（TNF-α），D) 白細(xì)胞介素-10（IL-10），E) 和白細(xì)胞介素-4（IL-4）的相對基因表達(dá)。F) 和G) 第8天Gel和Gel/MOF處理后炎癥相關(guān)因子水平的細(xì)胞因子陣列和分析

（8）凝膠/MOF加速神經(jīng)血管網(wǎng)絡(luò)重建

氧化應(yīng)激微環(huán)境直接影響血管和神經(jīng)再生。為了研究MOF維持氧化還原穩(wěn)態(tài)是否可以在增殖階段期間促進(jìn)血管神經(jīng)再生，研究人員檢測了再生組織的血管相關(guān)基因并對血管和神經(jīng)元進(jìn)行CD31、β3-微管蛋白和NF200免疫熒光標(biāo)記。Gel/MOF處理后HIF-1α表達(dá)與TNF-α相似。Mg-GA MOF釋放Mg²⁺上調(diào)Vegf和Pdgf的表達(dá)。同時，免疫熒光結(jié)果顯示Gel/MOF組可見大量CD31表達(dá)且在其周圍呈現(xiàn)大量連續(xù)條狀的β3-tubulin+著色，而對照組及Gel均較少（圖8）。這些結(jié)果表明Gel/MOF促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和新血管的形成，同時伴隨著新生的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其治療后的皮膚具有更好的修復(fù)效果。

圖8. 含有Mg-GA MOF的可噴涂水凝膠敷料加速了神經(jīng)血管網(wǎng)絡(luò)的重建。A-C) 在第16天，糖尿病傷口中缺氧誘導(dǎo)因子1-α（HIF-1α）、血管內(nèi)皮生長因子（Vegf）和血小板衍生生長因子（Pdgf）的相對基因表達(dá)。D) 第16天CD31（紅色）和β3-微管蛋白（綠色）的免疫熒光雙重染色。比例尺：50微米。E) 第16天NF200的免疫熒光染色。比例尺：50微米。F) 第16天治療后有無Gel和Gel/MOF的血管和G) 神經(jīng)密度。H) 免疫熒光染色中NF200+的密度。I) 糖尿病再生傷口的多個指標(biāo)的熱圖分析

研究小結(jié)：

綜上所述，本研究成功制備了分散性好且形貌可調(diào)的Mg-GA MOF，實現(xiàn)了Mg-GA MOF合成-結(jié)構(gòu)-性能之間的有效調(diào)控，并將其負(fù)載至具有抗菌性能的可噴涂水凝膠敷料中，作為微環(huán)境調(diào)節(jié)劑用于治療慢性糖尿病傷口。Mg-GA MOF具有類酶催化活性，可通過降解釋放GA快速清除ROS，維持氧化還原平衡，有效調(diào)節(jié)慢性糖尿病創(chuàng)面微環(huán)境。在傷口修復(fù)的后期，Mg²⁺輔助治療可促進(jìn)神經(jīng)血管網(wǎng)絡(luò)重建，而抗菌水凝膠敷料可預(yù)防細(xì)菌感染。這種簡單方便的可噴涂水凝膠敷料為慢性糖尿病傷口提供了一種非藥物治療的新策略。