福建医科大学陈伟教授/中科院生物物理所范克龙研究员《AHM》：天然酶介导矿化的锇纳米酶用于糖尿病感染伤口管理

由于糖尿病伤口的高血糖、氧化应激、持续炎症以及易受细菌反复感染等特点，其愈合问题仍是临床治疗中的一大挑战。研究人员开发出基于天然酶和纳米酶的组合体系，用以调控微环境以实现糖尿病伤口治疗目的。值得注意的是，这些体系在合成策略、酶种类/活性、生物学效应以及应用效果等方面仍需进一步提升与拓展。基于此，福建医科大学陈伟教授和中国科学院生物物理研究所范克龙研究员团队展开了合作，提出了由葡萄糖氧化酶介导的锇纳米酶矿化策略，合成一种具有双活性中心和三种酶活性的葡萄糖氧化酶-锇纳米酶（GOx-OsNCs），并将其应用于血糖监测与糖尿病感染伤口治疗。该工作以“Glucose Oxidase Energized Osmium with Dual‐Active Centers and Triple Enzyme Activities for Infected Diabetic Wound Management”为题发表于在国际生物材料领域权威期刊《Advanced Healthcare Materials》上。

如机理图所示，葡萄糖氧化酶（GOx）介导了锇纳米团簇（OsNCs）的矿化生长，并赋予锇纳米酶的双活性中心和三重酶活性（类过氧化物酶活性、葡萄糖氧化酶活性和类过氧化氢酶活性）。由于邻位双活性中心，GOx-OsNCs通过在酸性条件下利用葡萄糖氧化酶和类过氧化物酶活性，实现了自级联策略，从而实现了高效的葡萄糖传感，其性能优于传统的分步反应。GOx-OsNCs进一步被用于凝胶的构建，并实现血糖的即时监测。此外，GOx-OsNCs被应用于糖尿病感染伤口治疗。糖尿病伤口的 pH 值动态变化复杂，受多种因素的影响，包括葡萄糖水平、伤口严重程度和感染情况等。在酸性条件下，GOx-OsNCs通过发挥葡萄糖氧化酶和类过氧化物酶活性提供羟自由基（•OH），具有降低血糖和抗菌作用的功能，显著改善了微环境并加速了伤口愈合速度。在中性到碱性条件下，GOx-OsNCs还可发挥类过氧化氢酶活性实现伤口微环境的过氧化氢（H₂O₂）清除、缓解缺氧和减轻氧化应激。

机理图. 葡萄糖氧化酶诱导矿化的锇纳米酶具备双活性中心和三重酶活性应用于血糖监测和糖尿病感染伤口管理。

在优化的合成策略下，该团队成功利用葡萄糖氧化酶（GOx）有效还原了Os⁴⁺，这一过程使得所制备的GOx-OsNCs具有较小且均匀的粒径分布（图1）。同时，这一合成方法保留了GOx的基本结构和性质，从而确保了其在应用中的稳定性和活性。

图1. GOx-OsNCs的表征。

图2. GOx-OsNCs的三种酶活性。

该团队进一步对GOx-OsNCs的几种酶活性进行了深入探索（图2），发现它们在酸性条件下表现出优异的类过氧化物酶活性和葡萄糖氧化酶活性。与此同时，在中性或碱性条件下，它们表现出类过氧化氢酶活性。这意味着设计的GOx-OsNCs在不同pH条件下展现出三种酶的催化活性，为实现伤口微环境的调控提供了协同作用的可能性。

图3. 分步反应和级联反应系统的葡萄糖传感比较。

通过比较分步反应和级联反应，研究团队发现GOx-OsNCs在酸性条件下表现出更优越的葡萄糖传感性能，这得益于其自身葡萄糖氧化酶和类过氧化物酶活性的结合方式（图3）。基于这一发现，他们开发了凝胶比色传感器，可快速监测血糖，为糖尿病患者的血糖监测提供了便捷的解决方案。

该团队利用金葡萄球菌和大肠杆菌模型对GOx-OsNCs的体外抗菌效果进行了验证。结果表明，相较于PBS组、GOx-OsNCs组以及GOx + 葡萄糖组，GOx-OsNCs + 葡萄糖组表现出了更为出色的抗菌能力（图4）。这说明GOx-OsNCs可利用葡萄糖氧化酶催化分解葡萄糖，并通过结合类过氧化物活性的级联催化反应产生具有抗菌活性的•OH，从而实现高效的抗菌作用。

图4. GOx-OsNCs的体外抗菌活性。

随后，该团队构建了细菌感染的糖尿病鼠创伤模型，用以研究GOx-OsNCs治疗对伤口愈合的影响。结果显示，与其他组相比，GOx-OsNCs组的伤口愈合速度最快且最为有效，其伤口面积显著减小，并在第14天时的恢复率达到了98%。此外，通过对比不同治疗组的伤口组织情况，进一步验证了GOx-OsNCs能够有效减轻氧化应激和炎症反应，加速糖尿病伤口的愈合（图5）。

图5. GOx-OsNCs糖尿病感染创面愈合的体内效果。

小结

该团队开发了一种具有双活性中心的GOx-OsNCs，其具备三种酶催化活性，表现出自级联的高效葡萄糖响应能力、葡萄糖触发的抗菌活性和pH响应性抗炎特性等。考虑到糖尿病感染伤口的高血糖、低氧、细菌感染和pH失衡的特点，GOx-OsNCs能够在伤口愈合的各个阶段实现对微环境的有效调节。因此，本研究阐明了针对感染性糖尿病伤口治疗的创面微环境调节策略的显著治疗效果。此外，如何进一步实现微环境多种特征指标（如血糖水平、氧浓度、细菌负荷、pH值等）的实时监测或利用也为糖尿病伤口管理提供了更多思路。

陈伟教授、范克龙研究员为共同通讯作者，福医大附属第二医院何少斌博士、福医大硕士研究生林梦婷为共同第一作者，福医大硕士研究生郑琼华、福医大附属第二医院梁波主任、福医大本科生何昕捷、福医大附属第二医院张吟主任、福医大附属第二医院许秋霞副主任及福医大邓豪华副教授等人也参与本项工作。本项工作受到福建省科技创新联合基金、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点、福建省自然科学基金、泉州市引进高层次人才团队及白求恩基金会等资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adhm.202303548