专业股票配资公司上海交通大学/徐州医科大学合作AM：水凝胶基ROS调节策略为糖尿病伤口修复开辟新途径

上海来源：陀螺配资网站：凯丰资本日期：2025-10-08 15:46:14 查看：116

糖尿病伤口是糖尿病最严重的并发症之一，由于和氧化还原失衡，导致伤口反复溃疡和难以愈合，严重影响患者生活质量。当前临床治疗方法包括手术和非手术方法，但传统皮肤移植存在二次损伤风险专业股票配资公司，生物工程皮肤缺乏真皮和皮肤附属器，而绷带、纱布和传统水凝胶治疗效果有限。细胞因子和干细胞疗法也受限于移植细胞存活率低和免疫排斥。因此，深入理解糖尿病皮肤伤口的病理微环境特征和致病机制，对于提供更有效和广泛适用的治疗策略至关重要。

近日，林开利研究员、王旭东教授、陈卫东教授和徐州医科大学袁长永教授合作详细探讨了基ROS调节策略在重新编程伤口氧化应激失衡中的作用。文章指出，过量活性氧（ROS）会损伤蛋白质和核酸、加剧炎症并抑制免疫，从而阻碍伤口修复。水凝胶凭借优异的生物相容性和可设计性，成为智能ROS调节的关键平台。该综述详细阐述了ROS在糖尿病皮肤伤口进展中的角色，包括诱导氧化损伤、加剧炎症和免疫失衡、降解细胞外基质、阻碍新生血管形成和抑制神经修复。同时，讨论了基于水凝胶平台的ROS调节策略，这些策略能够通过外部刺激（如光、超声、电）或伤口微环境（如高血糖、氧化应激、酸度）来调整ROS水平，甚至在特定时空背景下双向调节。此外，文章概述了ROS调节水凝胶在糖尿病伤口愈合过程中的治疗和修复潜力，并指出了当前糖尿病伤口治疗领域的不足及未来展望。相关论文以“Hydrogel-Based ROS-Regulating Strategy: Reprogramming the Oxidative Stress Imbalance in Advanced Diabetic Wound Repair”为题，发表在

Advanced Materials上，论文第一作者为Zhou Qiaoling。

图1展示了过去十年间关于ROS调节水凝胶和糖尿病伤口的出版物趋势，表明这一领域仍有探索空间，相关文献比例逐年上升，凸显了这一快速崛起平台的影响力和重要性。图2总结了ROS在糖尿病伤口中的发病机制，以及水凝胶的ROS调节策略和治疗效果，为后续讨论奠定基础。图3进一步阐明了ROS在糖尿病伤口中的相关性，包括过量ROS的来源、其导致的氧化损伤、炎症失衡和免疫失调，以及对皮肤胶原、神经和血管组织的负面影响。

图1 根据Web of Science统计的过去10年关于ROS调节水凝胶和糖尿病伤口的文章数量（绿柱关键词为“diabetic”和“wounds”；蓝柱关键词为“ROS”、“hydrogels”、“diabetic”和“wounds”；红线显示ROS调节水凝胶文章在糖尿病伤口领域的比例）。使用Origin 2024软件创建。

图2 ROS在糖尿病伤口中的发病机制，以及水凝胶的ROS调节策略和治疗效果。使用BioRender.com创建。

图3 ROS在糖尿病伤口中的相关性，包括伤口中过量ROS的来源、其引起的氧化损伤、炎症失衡和免疫失调，以及对皮肤胶原、神经和血管组织的负面影响。使用BioRender.com创建。

在ROS调节策略方面，图4展示了水凝胶设计用于生成、清除和双向调节ROS含量的方案。针对外源刺激，图5描述了水凝胶响应近红外光、超声和电刺激升高ROS水平，用于抗菌治疗。例如，黑磷量子点修饰的水凝胶在近红外照射下通过光动力疗法产生ROS，有效杀死耐甲氧西林金黄色葡萄球菌。对于内源刺激，图6展示了水凝胶响应过氧化氢和葡萄糖升高ROS。例如，葡萄糖氧化酶负载的水凝胶在高葡萄糖环境中催化产生过氧化氢，进而通过类Fenton反应生成高毒性羟基自由基，靶向杀菌。图7则聚焦于通过加载生物酶（如和过氧化氢酶）来降低ROS水平，这些酶能有效清除ROS，缓解氧化应激。

图4 水凝胶设计用于生成、清除和双向调节糖尿病伤口中ROS含量的方案。使用BioRender.com创建。

图5 水凝胶响应外源刺激升高ROS用于糖尿病伤口治疗。A) EGCG-BPQDs接收近红外光并通过光动力疗法产生ROS，用于治疗MRSA感染的糖尿病伤口。B) 超声增强ACPCAH中SOD-CAT-GOx-POD/NOS酶活性的级联反应，发挥减轻炎症、缓解缺氧、促进血管生成和产生ROS杀灭病原体的作用。C) 治疗性锌电池通过电化学反应升高ROS。

图6 水凝胶响应内源刺激升高ROS用于糖尿病伤口治疗。A) GOx催化的H₂O₂优化Fenton反应限制因素，并通过CuNCs产生·OH。B) G4水凝胶通过引入葡萄糖氧化酶启动第一级ROS升高级联反应。C) 氧化锰纳米点的GOx模拟活性可诱导高水平ROS破坏细菌。

图7 水凝胶通过加载生物酶降低ROS用于糖尿病伤口。A) BCHM合成过程示意图。B) BCHM在光照和黑暗条件下的葡萄糖消耗。C) BCHM在光照和黑暗条件下的细胞活力。D) BGA产生H₂O₂的测量。E) 对照组、BGA组、BCHM组和CAT@BGA组的抑菌区比较。F) 用ROS探针染色处理金黄色葡萄球菌0、2、4、8、12小时。G) 不同处理后RAW 264.7巨噬细胞表型变化示意图及iNOS和Arg-1的Western blot图像。H) 微针贴片治疗后0、3、7、14天的代表性伤口图像及相应伤口愈合轨迹。I) 治疗14天后伤口组织的H&E和Masson染色图像。J) 优势菌群物种相对丰度热图。

为了更高效地调节ROS，水凝胶还整合了模拟酶材料。图8展示了金属及其氧化物（如铈、锰、金）以及金属有机框架如何模拟天然抗氧化酶的活性，清除ROS并恢复氧化还原稳态。例如，铈掺杂的生物活性玻璃纳米颗粒在水凝胶中表现出SOD和CAT样活性，顺序清除ROS。图9则介绍了通过设计抗氧化材料（如多酚、多糖、含硫化合物）来降低ROS，这些材料通过提供氢原子或电子中和ROS，同时调节细胞内抗氧化通路。在键合化学方面，图10展示了水凝胶通过动态键（如硼酸酯键、硫缩酮键、二硫键）实现ROS响应性降解和药物释放，这些键在ROS攻击下断裂，消耗ROS并释放治疗载荷。

图8 水凝胶通过设计模拟酶材料降低ROS用于糖尿病伤口治疗。A) 铈掺杂生物活性玻璃纳米颗粒复合水凝胶具有SOD和CAT样活性，缓解DM伤口氧化应激。B) 铬-锰双金属MOF赋予绿原酸修饰水凝胶CAT酶活性。C) 硒基水凝胶模拟GPX活性下调糖尿病伤口中ROS含量。

图9 水凝胶通过设计抗氧化材料降低ROS用于糖尿病伤口治疗。A) 负载单宁的湿粘附水胶体表现出抗菌、抗炎和抗氧化作用。B) 基于多糖的ROS降低水凝胶通过引入ROS响应交联剂TPA构建。C) 用抗氧化分子“硫辛酸”制备的光交联壳聚糖水凝胶具有光诱导自愈合和对pH、H₂O₂和葡萄糖的响应性，促进血管生成并加速愈合。D) 双负载水凝胶通过释放外泌体和二甲双胍干扰线粒体分裂，降低ROS水平并缓解微血管功能障碍。E) 黑色素的光热转换能力和活性氧清除特性示意图。F) PCA/Ant/KTC/Cip水凝胶释放H₂S清除ROS并引导血管生成。

图10 水凝胶通过键合化学降低ROS用于糖尿病伤口治疗。A) 依靠硼酸酯键构建具有ROS清除和抗菌性能的核壳结构微针。B) 引入ROS响应硫酮键构建自适应水凝胶（EXO-Gels），通过破坏细菌膜和缓解氧化应激促进糖尿病大鼠全层伤口愈合。C) 在氧化应激条件下，生物反应性水凝胶（bFGF-HSPP-NAC）由于二硫键分解为硫醇基团而裂解，实现ROS消耗和抗氧化剂释放的双重抗氧化效果。

对于复杂伤口环境，图11描述了水凝胶响应pH、近红外光和谷胱甘肽双向调节ROS水平。例如，pH响应性水凝胶在酸性条件下表现出POD样活性生成ROS杀菌，而在碱性条件下转为CAT样活性清除ROS促进修复。在治疗效果方面，图12综合展示了ROS调节水凝胶在糖尿病伤口愈合中的多功能作用，包括抗菌、抗炎、恢复线粒体稳态、缓解缺氧、促进组织再生等。图13详细阐述了其抗菌性能，通过药物递送、光热疗法、ROS生成和抗菌阳离子等机制有效清除细菌。图14则聚焦抗炎效果，通过递送抗炎药物、诱导巨噬细胞M2极化和清除ROS来缓解炎症。

图11 水凝胶响应pH、近红外光和GSH双向调节ROS用于糖尿病伤口治疗。A) 负载铜磷酸盐（CuP）纳米酶的藻酸盐（Alg）水凝胶在不同pH下表现出POD和CAT模拟活性。B) 含有BP和4OI的光敏明胶甲基丙烯酰胺水凝胶在近红外照射下产生ROS和热刺激，而在无光照射下通过影响炎症细胞因子相关通路下调ROS水平。C) 糖尿病伤口不同区域GSH水平影响SeC@PA对PDT产生的ROS的二次响应，导致不同治疗效果。

图12 ROS调节水凝胶在糖尿病伤口愈合中的多功能治疗效果。使用BioRender.com创建。

图13 ROS调节水凝胶在糖尿病伤口中的抗菌性能。A) 负载抗氧化剂姜黄素和抗生素环丙沙星的可注射DNA水凝胶抑制细菌生长并有效管理感染性糖尿病伤口的再生。B) 利用尺寸依赖性顺序释放功能组分的ROS响应“爆炸水凝胶”，依靠聚多巴胺的光热效应和α-硫辛酸的抗氧化特性，有效实现伤口愈合过程（如灭菌、炎症和再生）的时间控制。C) GOx/POD级联反应发生，依靠酸性条件下Fe3O4-GOx纳米酶的PoD样内在活性实现感染性糖尿病伤口的治疗。D) 基于季铵盐阳离子的双网络水凝胶同时实现对大肠杆菌/金黄色葡萄球菌的抗菌能力。

图14 ROS调节水凝胶在糖尿病伤口中的抗炎性能。A) 负载葛根素的水凝胶具有抗炎和抗氧化特性，有效抑制糖尿病伤口中炎症因子及相关基因的表达。B) 智能刺激响应水凝胶通过免疫调节和ROS清除有效挽救疾病微环境，用于糖尿病感染伤口的全过程管理。C) 基于Cu-CeO2纳米酶的水凝胶抑制NF-κB p65核转位，减少ROS产生，并发挥抗炎作用。

进一步地，图15展示了丝基纳米复合水凝胶通过调节线粒体代谢平衡REDOX和免疫稳态，促进糖尿病伤口愈合。该水凝胶激活AMPK/SIRT1/PGC-1α通路，恢复线粒体功能。图16介绍了植物启发的可见光驱动生物氧释放水凝胶，通过光合作用产生氧气，缓解缺氧并恢复线粒体功能。图17则强调了ROS调节水凝胶在促进血管生成方面的作用，通过加载药物、清除ROS、释放离子和气体以及产生温和热刺激等多种机制实现。在组织修复层面，图18展示了ROS调节水凝胶在糖尿病伤口中的多层次修复效果，包括上皮和胶原再生、新生血管形成、神经修复和毛囊再生。这表明水凝胶不仅能治愈伤口，还能促进功能组织的完整恢复。

图15 丝基纳米复合水凝胶通过调节线粒体代谢平衡REDOX和免疫稳态促进糖尿病伤口愈合。A) SS/MPDA@RES水凝胶的合成。B) SS/MPDA@RES水凝胶恢复线粒体REDOX稳态的机制。C) SS/MPDA@RES水凝胶对成纤维细胞和mt ROS的清除。D) JC-10检测图像显示不同水凝胶处理下LPS诱导巨噬细胞的线粒体膜电位。E) 不同水凝胶处理下H₂O₂刺激成纤维细胞的ATP产量。F) 不同水凝胶处理下H₂O₂刺激成纤维细胞的GSH/GSSG比率。G) 不同水凝胶处理下H₂O₂刺激成纤维细胞的MDA浓度。H) 各组巨噬细胞中p-AMPK、AMPK、SIRT1、PGC-1α和β-actin的蛋白表达及统计分析。I) 各组生物合成、糖酵解和OXPHOS mRNA的相对表达水平。

图16 植物启发的可见光驱动生物氧释放水凝胶恢复线粒体功能并促进细胞合成代谢。A) PTKM NPs和PTKM@HG水凝胶的合成。B) 高ROS和缺氧条件下不同组别HUVECs细胞内氧生成。C) 不同组别HUVECs线粒体膜电位图像。PTKM逆转缺氧诱导的线粒体功能障碍。D) 各组HUVECs细胞中NADPH和ATP水平。在660 nm LED光照射下，PTKM调节细胞合成代谢。E) PTKM@HG在可见光照射下生物释放氧气并消除ROS，缓解缺氧和氧化应激微环境，纠正线粒体动力学，增强细胞代谢，最终促进伤口内血管生成。

图17 ROS调节水凝胶在糖尿病伤口中的血管生成性能。A) DFO显示MMP响应释放并通过上调HIF-1α和血管生成生长因子的表达加速血管生成。B) 负载PB NPs和VEGF的炎症反应水凝胶通过消除ROS增强VEGF的血管生成能力。C) QCT@ZIF中的Zn2+诱导细胞分泌TGF、VEGF和血小板生长因子（PDGF），从而促进血管生成。D) 具有光热响应特性的PB NPs基水凝胶提供温和热刺激，可上调ECs活性并增加小鼠新血管形成。

图18 ROS调节水凝胶在糖尿病伤口中的多层次组织修复效果。A) OPC B2/PBCD水凝胶在治疗感染性糖尿病伤口中的多层次组织修复效果及机制。B) 不同处理下0、2、4、6、8和10天的表皮修复效果。C) 不同处理下4、6、8、10和12天毛囊干细胞的增殖和分化。D) H&E染色代表性图显示胶原结缔组织修复。E) Cd31和Nf200的免疫荧光检测证明水凝胶平台有效促进皮肤伤口血管网络重塑和神经元修复。

尽管ROS调节水凝胶在糖尿病伤口治疗中展现出巨大潜力，但仍面临诸多挑战，包括水凝胶物理性能不佳、降解与再生同步不可控、ROS水平调节困难、生物机制不清、需要多组织整合修复、动态监测与定量反馈难以实现以及临床转化陡峭。未来，通过开发温度敏感水凝胶、动态自适应网络、集成ROS监测技术、应用单细胞组学技术、结合3D生物打印以及深化材料科学与生物传感技术的融合，有望推动这些智能材料从实验室走向临床，最终造福糖尿病患者。