近期，武漢理工大學戴紅蓮教授和涂溶教授在科愛創辦的期刊Bioactive Materials上發表文章：基于沒食子酸-鎂金屬有機框架的可噴涂水凝膠，持續調節糖尿病傷口氧化應激微環境并促進神經血管網絡重建。目前，糖尿病傷口治療的面臨高氧化應激水平和持續炎癥導致愈合緩慢及后期神經血管網絡難以重建。針對這一難題，作者提出了一種通過沒食子酸-鎂金屬有機框架（Mg-GA MOF）持續調節氧化應激微環境的策略，并基于海藻酸鈉（SA）/殼聚糖季銨鹽（HACC）開發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，可預防創面細菌感染。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M1型巨噬細胞向M2型的極化。修復后期維持氧化還原平衡并通過鎂離子輔助治療促進血管再生和神經元形成。可噴涂水凝膠敷料通過調節氧化應激水平，促進神經血管網絡重建，加速上皮再生和膠原蛋白沉積，快速修復糖尿病傷口。

慢性糖尿病傷口是糖尿病患者最常見的并發癥。高氧化應激水平會延長炎癥期并對細胞造成氧損傷阻礙血管神經再生，其影響糖尿病傷口的整個愈合過程，仍是治療糖尿病傷口一大挑戰。清除過量活性氧是加速慢性糖尿病創面修復的有效策略之一。天然多酚（例如:單寧酸、沒食子酸、茶多酚等）是生物相容性良好的抗氧化劑和抗炎劑，但酚羥基的不穩定性及無法長期持續催化極大程度上限制了多酚基材料的應用。因此，如何提高多酚材料在治療慢性糖尿病傷口中的催化效率以持續降低氧化應激水平，并增強修復后期血管和神經的網絡重建是促進糖尿病傷口快速愈合的關鍵。基于此，本研究利用微波輔助合成技術優化bio-MOF的合成方法，獲得單分散且形貌均勻的沒食子酸-鎂金屬有機框架（Mg-GA MOF），提高其水中穩定性，實現了Mg-GA MOF合成-結構-性能之間的有效調控，并將其負載在具有可預防細菌感染的可噴涂水凝膠中構建了新型抗菌凝膠噴霧用于糖尿病傷口修復。在傷口修復的早期階段，Mg-GA MOF釋放的GA迅速清除ROS，降低氧化應激水平，實現高效抗炎。在傷口修復后期，Mg-GA MOF在生物降解過程中不斷釋放GA和Mg2+，以維持氧化還原平衡的同時通過鎂離子輔助治療激活血管相關基因的表達來促進血管再生和神經元形成。此外，在可噴涂水凝膠中加入殼聚糖季銨鹽（HACC）是一種有效的抗菌成分，以實現對細菌的抑制和消除。具有抗菌、抗氧化和炎癥調節功能的可噴水凝膠敷料通過調節氧化應激水平，促進神經血管網絡重建，加速再上皮化和膠原蛋白沉積來快速修復糖尿病傷口（圖1）。

圖1.（a）Mg-GA MOF的合成，（B）含Mg-GA MOF的可噴涂水凝膠敷料的合成，以及（C）促進慢性糖尿病傷口修復的機制示意圖

一、Mg-GA MOF的形貌調控及連續釋放沒食子酸

生物MOF材料已被廣泛研究和應用，但其在水中的不穩定性是制約其發展的關鍵因素。通常，穩定的MOF結構具有更廣泛的應用潛力。現有合成方法的基礎上，采用微波輔助合成技術制備沒食子酸-鎂金屬有機骨架（Mg-GA MOF），并在合成過程中加入二甲基甲酰胺（DMF）以優化合成方法。與在高溫（>120℃）下需要較長時間（12~24h）的傳統水熱合成法相比，該方法在相對較短的時間內（30min）快速獲得單分散、粒徑均勻的Mg-GA MOF。DMF的存在增強了溶劑的極性，加快了反應速度。同時，DMF的水解產物甲酸和二甲胺分別作為調節劑和去質子化溶質調控Mg-GA MOF的晶體形貌。Mg-GA MOFs在20 % DMF/水體系下為雙錐體，隨著DMF濃度增加到60 %，逐漸變為立方體，最后在80 %DMF/水溶劑體系下變為球體（圖2）。對Mg-GA MOF晶體形貌的調控提高了其在水中的穩定性，有助于提高其催化性能。

圖2. DMF調控Mg-GA MOF晶體形貌及影響沒食子酸持續釋放

二、Mg-GA MOF類酶催化體外清除ROS

對于慢性糖尿病傷口，過量的ROS是影響傷口愈合速度的最關鍵介質。為了確定Mg-GA MOF是否具有模擬酶催化的能力，本研究進行了一系列ROS清除實驗，包括超氧陰離子（O2•-）、過氧化氫（H2O2）、羥基自由基（•OH）和1,1-二苯基-2-三硝基肼基自由基（DPPH•）等典型代表。由于Mg-GA MOF對ROS的催化還原主要與配體GA和MOF的表面活性位點有關，因此將Mg-GA MOF與GA和常見的抗氧化劑抗壞血酸（維生素C）進行比較，以評估Mg-GA MOFs清除各種自由基的能力。結果表明，具有酶催化能力的Mg-GA MOF可以清除各種活性氧自由基并維持氧化還原平衡。值得注意的是，Mg-GA MOF的類SOD和類CAT活性在級聯催化反應中具有潛在的清除O2•-和H2O2的優勢。MG-GA MOF的類CAT活性的劑量依賴性小于類SOD活性和•OH清除的劑量依賴，有效地避免了類SOD活性催化引起的H2O2積累和芬頓反應導致額外的•OH生成（圖3）。此外，低劑量Mg-GA MOF有效清除RNS性能打破了過氧亞硝酸根陰離子（ONOO-）的積累，避免了亞硝化應激，這種RNS很容易引起DNA斷裂和脂質過氧化。

圖3. Mg-GA MOF具有清除ROS的酶催化功能圖

三、Mg-GA MOF的體外抗炎和抗氧化能力

對于慢性糖尿病傷口，持續的氧化應激和受損的免疫環境是阻礙傷口愈合的關鍵。在LPS構建的RAW264.7巨噬細胞炎癥模型下，Mg-GA MOF可降低炎癥狀態下RAW264.7細胞的胞內活性氧水平，并促進RAW264. 7細胞M1向M2的極化。結果表明Mg-GA MOF具有體外抗炎活性。Mg-GA MOF持續釋放GA與ROS的快速反應有效保護了暴露在H2O2氧化環境中的hUVEC，L929和HaCaT細胞，并有效降低胞內氧化應激水平（圖4）。Mg-GA MOF的長期降解實現了氧化應激平衡的長期維持，這對后期損傷修復的效率和后期損傷修復的功能重建至關重要。

圖4. Mg-GA MOF的體外抗炎和抗氧化能力

四、Mg-GA MOF促進體外內皮細胞遷移和小管形成

血管生成在組織再生中起關鍵作用，取決于血管內皮細胞的遷移和血管網絡的重建。劃痕測定實驗結果顯示50 μg/mL Mg-GA MOF處理組的hUVEC細胞遷移范圍顯著大于未處理組。處理24h后，Mg-GA MOF組的遷移率達到71.45%。同時體外成小管實驗結果顯示，與未處理的對照組相比，Mg-GA MOF培養的hUVEC在兩個處理時間都可以顯著促進小管形成。對分枝數和管長的半定量統計數據均進一步證實了這一結果（圖5）。綜上所述，Mg-GA MOF持續釋放的Mg2+顯著促進血管內皮細胞遷移和增強體外小管形成，這在血管重建中具有潛在的關鍵作用。

圖5. Mg-GA MOF的體外成血管能力

五、Mg-GA MOF基可噴涂凝膠敷料制備及抗菌能力

為了在糖尿病傷口中有效地遞送Mg-GA MOF，本研究合成了基于Mg-GA MOF的可噴涂水凝膠敷料（Gel/MOF）。水凝膠敷料的溶膠-凝膠轉化是通過海藻酸鈉（SA）的水溶液和含有Mg-GA MOF的殼聚糖季銨鹽（HACC）的鈣離子溶液互噴實現的。霧化的SA和鈣離子溶液在約數十秒內快速交聯（圖6A-C）。通過菌落形成單位測定（CFU）和抑菌圈實驗評估Mg-GA MOF和Gel/MOF的抗菌效果。GA及其衍生物的抗菌性能需較高的劑量依賴（IC50~500μg/mL）且需要在溶液中釋放，導致Mg-GA MOF對S.aureus和E.coli抗菌效果不顯著。將陽離子抗菌劑季銨鹽改性殼聚糖引入到Gel/MOF中，提高了水凝膠敷料的抗菌敏感性。季銨鹽吸附細菌后，水凝膠敷料中的Mg-GA MOF持續釋放GA。值得注意的是，Gel/MOF的抗菌效果主要源于陽離子抗菌劑季銨鹽，在不添加殼聚糖季銨鹽的對照組中，即使添加GA或MOF也沒有觀察到明顯的抗菌效果（圖6）。因此，Gel/MOF在抑制傷口中的細菌增殖和預防細菌感染方面具有潛在優勢。

圖6. Mg-GA MOF和可噴涂水凝膠敷料Gel/MOF的體外抗菌能力

六、可噴涂水凝膠敷料Gel/MOF促進體內糖尿病傷口愈合

為了驗證可噴涂水凝膠敷料是否加速糖尿病傷口修復，本研究在db/db糖尿病小鼠中直徑為6 mm的全層皮膚缺損模型上對Gel/MOF進行評價（圖7）。在手術后的前3天，組之間沒有顯著的差距。Gel/MOF組的愈合速度從手術后8天開始顯著加快，表明Mg-GA MOF對巨噬細胞的正調節和持續釋放的GA降低ROS水平導致糖尿病創口從炎癥階段轉變為增殖階段。與對照組和Gel組相比，Gel/MOF組傷口愈合率顯著提高，顯著加快傷口愈合速度。Gel/MOF治療16天后的再生皮膚組織組織切片H&E染色結果證實了這一結果，且再生組織與周圍皮膚組織幾乎相同，可見更多的血管、毛囊、皮脂腺和表皮再上皮化。除此之外，Masson染色結果及半定量分析結果顯示Gel/MOF組中呈現出更多的膠原沉積，同時天狼星紅染色結果顯示與對照組膠原蛋白呈黃綠色，Gel和Gel/MOF處理后膠原蛋白變為橙黃色和鮮紅色，Gel/MOF組具有比對照組和凝膠組更高的膠原蛋白I/III比率。這些結果表明，Gel/MOF促進表皮再上皮化及膠原沉積，并調節I型和III型膠原表達以促進傷口愈合。

圖7. 可噴涂水凝膠敷料Gel/MOF加速體內糖尿病傷口愈合，促進膠原沉積和再上皮化

七、Gel/MOF抑制糖尿病創面氧化應激和調節炎癥反應

本研究通過一系列實驗驗證了Gel/MOF可以通過降低氧化應激和調節炎癥反應來加速體內炎癥—增殖轉變。對再生組織進行胞內總活性氧免疫熒光染色，結果顯示與對照組相比，術后第8天Gel和Gel/MOF處理后的ROS+細胞密度極其顯著地降低，且Gel/MOF的ROS+細胞密度顯著低于凝膠組，表明MOF的存在促進了ROS的清除并極大地緩解了糖尿病傷口中氧化應激的微環境。進一步地使用RT-qPCR檢測再生皮膚組織中的炎癥相關基因，結果顯示，盡管Gel/MOF組中的TNF-α基因表達沒有顯著降低，Gel/MOF組中的抗炎因子IL-10和IL-4的表達顯著高于對照組和Gel組。此外，從Gel和Gel/M0F組提取蛋白，然后使用細胞因子蛋白陣列檢測炎癥相關蛋白。在Gel/MOF組中，促炎因子及相關趨化因子地表達降低，而抗炎因子IL-1ra增加（圖8）。結果均表明，在Gel敷料中加入MOF可增強M1型巨噬細胞向M2型極化，并積極調節炎癥微環境，降低氧化應激以促進傷口愈合。

圖8. 可噴涂水凝膠敷料Gel/MOF調節糖尿病傷口中的炎性細胞因子表達并抑制氧化應激

八、Gel/MOF加速神經血管網重建

氧化應激微環境直接影響血管和神經再生。為了研究MOF維持氧化還原穩態是否可以在增殖階段期間促進血管神經再生，研究人員檢測了再生組織的血管相關基因并對血管和神經元進行CD31、β3-微管蛋白和NF200免疫熒光標記。Gel/MOF處理后HIF-1α表達與TNF-α相似。Mg-GA MOF釋放Mg2+上調Vegf和Pdgf的表達。同時，免疫熒光結果顯示Gel/MOF組可見大量CD31表達且在其周圍呈現大量連續條狀的β3-tubulin+著色，而對照組及Gel均較少（圖9）。這些結果表明Gel/MOF促進血管內皮細胞的增殖、遷移和新血管的形成，同時伴隨著新生的神經網絡，其治療后的皮膚具有更好的修復效果。

圖9. 可噴涂水凝膠敷料Gel/MOF加速神經血管網絡重建

綜上所述，本研究成功制備了分散性好且形貌可調的Mg-GA MOF，實現了Mg-GA MOF合成-結構-性能之間的有效調控，并將其負載至具有抗菌性能的可噴涂水凝膠敷料中，作為微環境調節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，有效調節慢性糖尿病創面微環境。在傷口修復的后期，Mg2+輔助治療可促進神經血管網絡重建，而抗菌水凝膠敷料可預防細菌感染。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。

原文信息

Chenxi Lian, Jiawei Liu, Wenying Wei, Xiaopei Wu, Takashi Goto, Haiwen Li, Rong Tu**, Honglian Dai, 

Mg-gallate metal-organic framework-based sprayable hydrogel for continuously regulating oxidative stress microenvironment and promoting neurovascular network reconstruction in diabetic wounds. 

Bioactive Materials, 38 (2024) 181–194. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2024.04.028