ips细胞治疗糖尿病研究（促进糖尿病感染性溃疡愈合的诊疗一体化NO纳米发生器）

原创Han S-J 抗菌科技圈

第一作者：Yiqi Yang

通讯作者：赵杰，汤亭亭，杨盛兵

通讯单位：上海交通大学医学院附属第九人民医院

研究速览：

近期，上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科赵杰、汤亭亭、杨盛兵研究团队在Advanced Materials 上发表了关于设计负载有NO供体药物的诊疗一体化NO纳米发生器用于促进感染性糖尿病溃疡愈合的研究工作。糖尿病溃疡（DU）是糖尿病（DM）的一种慢性皮肤并发症，是世界范围内非创伤性下肢截肢的主要原因。早期检测伤口感染、促进血管内皮细胞（VEC）增殖、激活血管生成、消除细菌感染是成功管理糖尿病溃疡的关键步骤。虽然大量的新材料已被用于处理糖尿病溃疡，然而，尚未有可同时克服上述所有挑战的有效方法。因此，迫切需要设计一种新的策略来解决这些问题。在此，该团队设计了一种负载NO供体药物的感染诊疗一体化纳米发生器，能诊断早期感染并在确认感染后，采用近红外激光照射有效清除细菌。此外，NO纳米发生器还能通过维持HIF-1α蛋白稳定性促进伤口局部血管内皮细胞分泌VEGF，最终促进伤口部位血管新生和慢性创面愈合。

要点分析：

要点一：NO是一种具有多种生物活性的主要气体。它不仅与细胞内蛋白相互作用，而且介导杀菌反应，该纳米系统利用硝普酸钠（SNP）作为NO供体，在近红外光（NIR）控制下精确释放NO，从而有效抑制HIF-1α分解。

要点二：作者通过逐层合成的思路构建了以上转换纳米材料为核心，其上原位生长金属有机框架载药层及外围吸附荧光探针层的核壳结构NO纳米发生器。感染早期，细菌侵袭细胞产生的ClO-会激活荧光探针，提示溃疡感染发生。此时通过照射非侵入性的近红外激光，穿透组织直到纳米发生器，在上转换纳米粒子的作用下转化为可见光，可见光进一步促进金属有机框架层载入的硝普钠光分解产生游离NO。在感染微环境ROS参与下，NO可转化为具有高效杀菌能力的过氧亚硝基，利用过氧亚硝基达到清除细菌和控制感染的目的。

要点三：感染清除后微环境中的NO会作用于血管内皮细胞，通过抑制HIF-1α的泛素化维持其蛋白稳定性，促进HIF-1α驱动下游血管新生关键分子VEGF的表达。提升VEGF的分泌可有效增进血管内皮细胞的迁移与成血管能力。最后，作者利用糖尿病小鼠皮肤溃疡模型验证了NO纳米发生器的效果，发现其可有效杀灭细菌并提升伤口周围血管密度，最终实现难愈性创面的高效愈合。

图文导读

图1　 SNP@UCM纳米发生器的合成及表征。（A）SNP@UCM纳米发生器的合成示意图。提供了ssPDA单体的化学结构。（B）SNP@UCM纳米发生器的透射电镜和元素映射图谱。（C）采用动态光散射方法（DLS）测量了SNP@UCM的尺寸分布。（D）SNP@UCM纳米发生器的上转换发射特性。（E）SNP@UCM纳米发电机比表面积 （BET）的吸脱附曲线。（F）载药前后SNP溶液的紫外-可见吸收光谱。（G）SNP@UCM在不同的时间点的控释速率。（H）不同浓度下SNP@UCM对人脐静脉血管内皮细胞（HUVECs）的细胞毒性。**P<0.01。

图2　SNP@UCM纳米发生器的诊断能力。（A）细菌感染后细胞内ClO-浓度增加。

（B）荧光探针系统（Cy7和IR786s）的诊断示意图。由于ClO-的增加，IR786s的裂解导致了明亮的荧光的发射。（C）SNP@UCM荧光强度随着体外ClO-浓度的增加而增加。（D）使用IVIS系统同时采集生物发光金黄色葡萄球菌-Xen29的生物发光信号和SNP@UCM的荧光信号。生物发光信号以剂量依赖性的方式增加。同时，荧光信号也随着伤口内细菌负荷的增加而增加，表明SNP@UCM检测感染具有很好的敏感性。

图3　SNP@UCM纳米发生器的体外抑菌活性。（A,B）对金黄色葡萄球菌（A）和大肠杆菌（B）的抗菌活性，通过细菌活/死染色，透射电子显微镜（TEM）分析，以及菌落数确定。（C）菌落数的定量分析。（D）细菌在指定处理下产生的ONOO-。（E）所提出的抗菌机制的示意图。SNP@UCM释放的NO与细菌入侵过程中产生的ROS反应形成ONOO-。ONOO-破坏了细菌细胞膜的完整性。**P<0.01。

图4　SNP@UCM NIR对体内感染的糖尿病溃疡的治疗作用。（A）描述治疗方案的示意图。（B）在第1、3、7、14天接受不同治疗的受感染伤口的照片。（C）伤口面积和（D）不同治疗后的伤口闭合分析。（E）第6天不同治疗后感染伤口的IVIS图像。（F）第6天，用稀释涂层板法测量感染伤口周围的细菌量。（G）菌落数的定量分析（CFUs）。*P<0.05, **P<0.01。

图5　SNP@UCM治疗可加速感染性糖尿病溃疡的体内血管生成和伤口愈合。（A）第14天创面组织苏木素和伊红（H&E）染色、马松毛状体染色、免疫组化（IHC）染色。（B）第14天伤口组织的超声和光声图像。（C）基于H&E染色的炎症评分。（D-F）IHC的半定量分析。（G）光声图像的半定量分析。sO2：血氧饱和度。*P<0.05, **P<0.01。

结论

该研究首次设计了近红外光触发的诊疗一体化NO纳米发生器并用于糖尿病感染性溃疡的治疗。该策略通过先进的纳米材料提高蛋白质的稳定性，对诸如关节炎或延迟骨折愈合的其他复杂疾病的治疗也有借鉴意义。

1. 通过分析荧光信号，该诊疗一体化NO纳米发生器可以通过与细菌入侵过程中产生的ROS发生反应，帮助检测伤口感染。
2. 体外和体内实验结果表明，该NO纳米发生器能够通过近红外光控制NO释放，同时加速伤口愈合、消除细菌、减少炎症和促进血管生成。
3. 该研究的主要新发现是，该NO纳米发生器通过抑制泛素化-蛋白体系统来稳定HIF-1α蛋白，进一步促进伤口部位的血管生成。

全文链接： https://doi.org/10.1002/adma.202103593

参考文献：Yiqi Yang, Kai Huang, Minqi Wang,Qishan Wang,Haishuang Chang, Yakun Liang,Qing Wang,Jie Zhao,Tingting Tang,and Shengbing Yang. Ubiquitination Flow Repressors: Enhancing Wound Healing of Infectious Diabetic Ulcers through Stabilization of Polyubiquitinated Hypoxia-Inducible Factor-1α by Theranostic Nitric Oxide Nanogenerators . Advanced Materials. 2021. dol: 10.1002/adma.202103593.

投稿kangjunkejiquan@163.com

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