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富含铜的多功能普鲁士蓝纳米酶用于感染伤口愈合

期刊:international journal of biological macromoleculesDOI:10.1016/j.ijbiomac.2022.11.320

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该研究由Ping Xu、Wenyan Huang、Jiaxin Yang、Xiaoxue Fu、Weihong Jing、Yingjuan Zhou、Yucen Cai和Zhangyou Yang共同完成,主要研究机构为重庆医科大学药学院。研究成果于2022年12月2日在线发表在《International Journal of Biological Macromolecules》期刊上。

学术背景:
该研究属于纳米酶与生物医学交叉领域,主要关注感染性伤口的愈合问题。感染性伤口的愈合过程常受到细菌感染、过量活性氧(ROS)积累以及组织缺氧的阻碍。传统的抗生素治疗虽然有效,但长期使用可能导致细菌耐药性,且忽视了伤口微环境中高ROS和缺氧等问题。因此,开发一种多功能治疗策略显得尤为重要。近年来,纳米酶因其类酶催化活性、稳定性强等优势在疾病治疗中受到广泛关注。普鲁士蓝(Prussian Blue, PB)作为一种纳米酶,具有强大的抗氧化和抗炎特性,已被美国食品药品监督管理局(FDA)批准用于临床。然而,PB在实际应用中仍存在酶活性低、多功能性不足等问题。基于此,该研究旨在构建一种富含铜的多功能普鲁士蓝纳米酶(HPP@Cu NZs),通过协同治疗促进感染性伤口的愈合。

研究流程:
研究分为多个步骤,主要包括纳米酶的构建、表征、体外和体内实验验证。
1. 纳米酶的构建:
- 首先,通过将支化聚乙烯亚胺(BPEI)修饰的透明质酸(HA)与铜离子形成复合物,构建富含铜的普鲁士蓝纳米酶。
- 其次,通过一系列化学反应合成HPP@Cu NZs,并对其进行表征,包括透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、紫外-可见光谱(UV-Vis)和X射线光电子能谱(XPS)等。
- 最后,评估纳米酶的光热性能、酶活性(如超氧化物歧化酶SOD和过氧化氢酶CAT活性)以及抗菌性能。

  1. 体外实验:

    • 通过细胞实验验证纳米酶的细胞相容性、抗氧化和抗炎性能。
    • 使用人脐静脉内皮细胞(HUVECs)和小鼠巨噬细胞(RAW 264.7)进行实验,评估纳米酶对细胞增殖、迁移和血管生成的影响。
    • 通过荧光探针检测细胞内ROS水平和氧生成情况,并利用Western blot分析炎症因子(如TNF-α、IL-6和IL-1β)的表达水平。
  2. 体内实验:

    • 建立小鼠感染性伤口模型,评估纳米酶对伤口愈合的影响。
    • 通过红外热成像监测纳米酶的光热效应,并通过菌落计数评估其抗菌性能。
    • 采用组织学分析(如H&E染色、Masson染色)和免疫组化分析评估伤口愈合过程中胶原沉积、血管生成和炎症反应的变化。

主要结果:
1. 纳米酶的表征:
- HPP@Cu NZs具有均匀的超小纳米尺寸(约5 nm)和优异的光热响应性能,光热转换效率高达36.52%。
- XPS分析表明,HPP@Cu NZs中Fe³⁺和Fe²⁺的比例分别为64.47%和35.13%,铜离子的存在增强了其酶活性。

  1. 体外实验结果:

    • HPP@Cu NZs在808 nm近红外激光照射下表现出显著的抗菌性能,对金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli)的抑制率分别达到77.17%和88.73%。
    • 纳米酶能够有效清除过量ROS,并促进氧生成,显著降低炎症因子(TNF-α、IL-6和IL-1β)的表达水平。
    • 细胞迁移和血管生成实验表明,HPP@Cu NZs能够显著促进HUVECs的迁移和管状结构形成,并上调血管内皮生长因子(VEGF)的表达。
  2. 体内实验结果:

    • 在小鼠感染性伤口模型中,HPP@Cu NZs在近红外激光照射下显著加速伤口愈合,14天后伤口面积减少至1.01%,而对照组仍有20.97%的伤口未愈合。
    • 组织学分析显示,HPP@Cu NZs能够促进胶原沉积、血管生成和表皮再生,并显著降低炎症反应。

结论:
该研究成功构建了一种富含铜的多功能普鲁士蓝纳米酶(HPP@Cu NZs),通过协同抗菌、抗氧化、抗炎和促进血管生成等多种机制,显著加速了感染性伤口的愈合。HPP@Cu NZs不仅具有优异的光热性能和酶活性,还表现出良好的生物相容性和稳定性。该研究为感染性伤口的治疗提供了一种新型多功能纳米酶策略,具有重要的科学意义和应用价值。

研究亮点:
1. 多功能纳米酶的构建: 通过将铜离子引入普鲁士蓝纳米酶,显著增强了其抗菌、抗氧化和抗炎性能。
2. 优异的光热性能: HPP@Cu NZs在近红外激光照射下表现出高效的光热转换效率,能够通过局部热效应杀灭细菌。
3. 协同治疗机制: 纳米酶通过清除ROS、调节氧水平和促进血管生成,显著改善了感染性伤口的微环境。
4. 良好的生物相容性: 体外和体内实验均表明,HPP@Cu NZs对正常细胞和组织无显著毒性,具有良好的临床应用前景。

其他有价值的内容:
该研究还详细探讨了纳米酶在伤口愈合过程中对胶原沉积和炎症反应的影响,为进一步优化纳米酶的设计提供了重要参考。此外,研究团队还开发了一种基于高内涵成像技术的细胞迁移分析方法,为相关领域的研究提供了新的实验手段。

该研究通过构建多功能纳米酶,为感染性伤口的治疗提供了一种创新策略,具有重要的科学价值和临床应用潜力。

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