本研究由Amal George Kurian、Jeong-Hui Park（共同第一作者）及Rajendra K. Singh、Jung-Hwan Lee、Kam W. Leong、Hae-Won Kim（通讯作者）等人完成，主要研究机构包括韩国檀国大学组织再生工程研究所（ITREN）、纳米生物医学科学系、首尔大学口腔病理学系以及美国哥伦比亚大学生物医学工程系。该研究发表于 *Nature Communications*，文章编号为17:6352（2026年），DOI为10.1038/s41467-026-72968-7。
糖尿病是一种以持续性高血糖为特征的慢性代谢性疾病，其严重并发症之一是创面愈合障碍。慢性糖尿病创面不仅显著降低患者生活质量，还给全球医疗系统带来沉重负担，常导致长期住院、反复医疗干预甚至截肢。糖尿病创面愈合受损的病理生理机制涉及血管功能不全、神经病变以及免疫失调。正常情况下，创面愈合需要巨噬细胞（macrophage, Mφ）从促炎表型（M1）向抗炎修复表型（M2）的有序转换；然而在糖尿病创面中，持续的高血糖和氧化应激使Mφ长期维持在M1主导状态，炎症迁延不愈。
传统工程水凝胶虽具有良好的生物相容性和细胞外基质（ECM）模拟特性，但缺乏主动消除慢性炎症的能力。纳米酶（nanozyme）是一类具有类酶催化活性的纳米材料，将其整合入水凝胶中为调控氧化还原稳态和炎症提供了新策略。其中，超小铜基纳米酶（CuNZ）兼具强催化活性与铜元素的固有生物学功能——铜参与SOD1介导的抗氧化防御、VEGF依赖性血管生成以及赖氨酰氧化酶介导的ECM重塑，同时铜还是染色质修饰酶的关键辅因子，为炎症微环境的表观遗传调控开辟了途径。
本研究旨在开发一种具有表观遗传活性的可喷涂纳米酶水凝胶（CuNZ@Gel），通过重塑巨噬细胞染色质可及性，将基因表达从促炎谱系转向抗炎修复谱系，从而主动调控糖尿病创面微环境，实现创面再生。
第一部分：CuNZ的合成与表征。 研究者采用环保的一步法合成超小CuNZ。透射电子显微镜（TEM）显示纳米颗粒均匀分散，平均粒径为4.12 nm。X射线衍射（XRD）分析表明CuNZ由金属铜（Cu⁰）和氧化亚铜（Cu₂O）的混合相组成，呈现面心立方结构。X射线光电子能谱（XPS）进一步区分了Cu⁰和Cu⁺表面态。多酶活性验证实验中，CuNZ表现出浓度依赖性的活性氧（ROS）清除能力，包括类过氧化物酶（POD）活性（通过TMB显色反应验证）、类超氧化物歧化酶（SOD）活性（80 µg/mL浓度下分解约62%的超氧阴离子）、羟自由基清除活性（抑制86%）以及ABTS⁺自由基清除活性（清除79%）。
第二部分：CuNZ@Gel水凝胶的制备与理化性能评估。 将CuNZ物理混合入甲基丙烯酰化明胶（GelMA）预聚物中，经紫外光交联形成水凝胶。研究重点评估了”3S”性能：可喷涂性（sprayability）、皮肤贴合性（skin conformability）和储存稳定性（storage stability）。单次喷涂量恒定为约80 µL，喷涂覆盖面积与喷涂距离呈线性相关。流变学测试显示CuNZ@Gel与纯Gel的黏度行为相当，表明CuNZ未引起聚集。分散稳定性分析证实室温密封避光储存30天后仍保持均匀分散。压缩模量约为3.3 kPa，与纯Gel（约3.7 kPa）相当，处于皮肤组织相容性最优范围；溶胀率为20–30%，酶促降解曲线与纯Gel相似。
第三部分：转录组分析揭示CuNZ@Gel对Mφ的调控机制。 RAW 264.7小鼠巨噬细胞分别与Gel或CuNZ@Gel共培养后进行RNA测序。主成分分析（PCA）显示两组转录组显著分离。共鉴定出1424个差异表达基因（DEGs，倍数变化>2，p<0.05），其中761个上调（簇C1）和663个下调（簇C2）。基因本体（GO）富集分析显示C1簇富集于ROS调控、炎症反应调控和形态发生等生物学过程；京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析显示FoxO和p53信号通路富集。C2簇则表现为蛋白质合成、异染色质形成和ATP依赖性染色质重塑通路的下调。值得注意的是，氧化应激应答基因（如gstp1、hmox1、prdx1、cat等）、肌动蛋白丝组织基因（如diaph3、dbn1、aif1等）显著上调，而异染色质组织相关基因（如h4c2、cenpa、asf1a等）显著下调，提示染色质向转录允许状态转变。
第四部分：染色质重塑与M1极化抑制的验证。 形态学分析显示CuNZ@Gel处理的Mφ呈现拉长的纺锤形（伸长指数显著升高），为M2型特征。核染色质凝缩分析表明CuNZ@Gel诱导显著的核去凝缩。与N-乙酰半胱氨酸（NAC）和氧化铈纳米酶（CeNZ）比较，只有CuNZ能诱导核去凝缩，证明该效应并非单纯源于ROS清除，而是铜特异性表观遗传调控。免疫荧光显示H3乙酰化（H3ac）水平显著升高，H3K9三甲基化（H3K9me3）水平显著降低，H3K4三甲基化（H3K4me3）升高而H3K27me3不变。ATAC-seq测序鉴定出1678个染色质可及性增加区域（C1）和仅274个可及性降低区域（C2），C1区域富集TGF-β受体信号通路、IL-13正调控、经典NF-κB信号通路的负调控等M2相关通路；C2区域富集内质网应激、先天免疫激活和一氧化氮生物合成正调控等M1相关通路。代表性M1基因（tnf、cd14）位点的ATAC-seq轨迹显示染色质可及性显著降低。转录因子基序分析显示euchromatin相关基序（FOS、AP-1家族）和细胞骨架重塑相关基序（JunB、ATF3）富集，而M1相关基序（IRF1、STAT1、NF-κB p65等）去富集。
第五部分：H3ac介导的表观遗传调控机制验证。 mRNA-seq显示组蛋白乙酰转移酶（HAT）和组蛋白去甲基化酶（HDM）上调，组蛋白去乙酰化酶（HDAC）和组蛋白甲基转移酶（HMT）下调。HAT酶活性测试证实CuNZ@Gel显著增强HAT功能。时间序列分析显示H3ac在6小时内快速升高，12–24小时进一步增强，且H3ac升高先于M1/M2标志基因的转录变化，证实其为因果性上游事件。药理学抑制实验使用选择性p300 HAT抑制剂C646和泛Jumonji去甲基化酶抑制剂JIB-04。C646显著逆转CuNZ@Gel诱导的M2基因上调（cd206、arg-1、il-10）和M1基因下调（il-6、cox2、inos），而JIB-04仅产生部分逆转。使用garcinol和anacardic acid两种正交HAT抑制剂获得一致结果。H3ac ChIP-seq在全基因组水平鉴定出1881个H3ac增加峰和1323个降低峰，M2相关基因位点（hmox1、gata3、cd5l、ccl17、lilrb4a、acer3等）呈现一致性的H3ac富集增加。
第六部分：氧化应激条件下的保护与表观遗传调控。 以H₂O₂模拟糖尿病创面的氧化应激环境，CCK-8实验显示CuNZ@Gel显著保护Mφ活力，Live/Dead染色和DCF荧光检测证实细胞内ROS水平大幅降低。在氧化应激下，CuNZ@Gel仍能诱导Mφ拉长形态、核去凝缩和H3ac水平恢复甚至超过正常水平。C646抑制HAT后，CuNZ@Gel在氧化应激下的M2诱导和M1抑制效应显著减弱，证明H3ac是氧化应激条件下Mφ重编程的关键机制。
第七部分：Mφ与成纤维细胞（FB）和内皮细胞（EC）的旁分泌交互作用。 收集CuNZ@Gel处理Mφ的条件培养基（CM）培养FB和EC。结果显示FB增殖显著增强，赖氨酰氧化酶（LOX）表达上调，col1a1和纤连蛋白（fibronectin）基因表达升高，迁移能力增强。EC在Matrigel上形成更完整的管状网络，节点数、分支数、片段数和总长度均显著增加，VEGF表达上调。直接处理方面，CuNZ@Gel对FB和EC亦具有直接保护作用，包括提高氧化应激下的存活率、降低细胞内ROS、促进EC血管网络形成。
第八部分：糖尿病大鼠创面模型的体内疗效验证。 使用链脲佐菌素（STZ）诱导的1型糖尿病大鼠模型，建立全层皮肤缺损创面。治疗后第7天，CuNZ@Gel组创面面积显著小于对照组和Gel组；组织学分析显示创面宽度显著减小、肉芽组织厚度增加、表皮厚度降低，Masson三色染色显示胶原沉积增强。第14天，CuNZ@Gel维持优越的愈合效果。免疫组化显示CuNZ@Gel组创面内H3ac水平显著升高，8-OHdG（氧化性DNA损伤标志物）显著降低，CD86（M1标志物）表达降低而CD206（M2标志物）表达升高，Ki67阳性增殖细胞增多，CD31阳性血管结构增多。值得注意的是，M2极化在第7天达到峰值，至第14天随创面愈合逐渐消退，表明该效应是生理性可逆的。主要脏器H&E染色未见明显病理异常，证实局部应用具有良好的生物相容性。
第九部分：空间转录组学分析。 对第7天创面组织基于CD68免疫荧光分割CD68⁺Mφ和CD68⁻基质细胞（主要为FB）区域。CD68⁺Mφ中，GO分析显示一氧化氮信号、LPS应答、急性期反应、IL-1β产生等促炎通路广泛下调，同时染色体凝缩通路下调，而上调的通路富集于胶原纤维组织、止血、血管发育、表皮细胞铺展和吞噬作用，以及BMP和Wnt信号通路。CD68⁻基质细胞中，炎症反应、中性粒细胞活化、趋化性和TLR4信号下调，异染色质形成信号降低；上调通路以胶原纤维组织（富集倍数=10.25，p=4.04×10⁻⁹）最为显著，伴有ECM组织和肌动蛋白细胞骨架重塑，BMP信号和血管发育通路亦被激活。
本研究开发了一种基于超小CuNZ和GelMA的可喷涂表观遗传活性纳米酶水凝胶。CuNZ@Gel通过三重机制发挥疗效：（1）强大的多酶模拟活性直接清除ROS/RNS，缓解氧化应激；（2）通过铜特异性表观遗传调控——主要通过增强H3ac——重塑巨噬细胞染色质可及性，抑制M1促炎程序、促进M2修复程序；（3）通过重编程的Mφ旁分泌信号与直接的细胞保护作用，协同增强FB的ECM合成和EC的血管生成功能。体内实验证实CuNZ@Gel显著加速糖尿病创面愈合，促进肉芽组织形成、胶原沉积、血管新生和再上皮化，且具有良好的生物安全性。
本研究的核心创新在于：首次将表观遗传调控机制系统性整合入纳米酶水凝胶设计中，实现了从被动结构支架向主动免疫治疗生物材料的范式转变。通过整合ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq和空间转录组学的多组学证据链，完整描绘了从纳米材料-细胞表观遗传互作到体内免疫微环境重塑的机制图谱。时间序列实验严格证明了H3ac升高先于表型转换的因果关系，多抑制剂正交验证排除了非特异性效应。与NAC和CeNZ的比较实验证明铜元素的独特表观遗传调控能力不能由单纯抗氧化替代。空间转录组学揭示了Mφ和基质细胞之间高度协调的再生产程序。从应用价值看，CuNZ@Gel具备可喷涂性、皮肤贴合性、室温稳定性等临床转化关键属性，无需外源性细胞因子或药物即可恢复糖尿病创面的免疫平衡，为慢性炎症性和纤维化疾病的精准免疫再生治疗提供了全新策略框架。