如何促進細菌生物膜感染的糖尿病傷口的愈合是一項亟需解決的全球公共衛(wèi)生問題。然而，由于生物膜感染部位的低藥物滲透性及傷口愈合中潛在的再感染風(fēng)險，現(xiàn)有的治療方法療效受限。

近期，中國藥科大學(xué)戴建君/鞠艷敏團隊設(shè)計了一種防治一體化的納米酶微針（Fe2C/GOx@MNs）用于耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）生物膜感染的糖尿病傷口愈合。具有足夠機械強度的可溶性針尖可提高Fe2C納米顆粒（Fe2C NPs）及葡萄糖氧化酶（GOx）的滲透能力以實現(xiàn)高效的生物膜消除。與此同時，具有良好的透氣性、吸濕性和抗菌性殼聚糖背襯層（CS）可防止傷口愈合過程中的再次感染。重要的是，F(xiàn)e2C/GOx@MNs的生物膜清除和再感染預(yù)防能力在MRSA生物膜感染的糖尿病小鼠傷口模型中亦得到了證實，表明其在細菌生物膜感染傷口愈合方面具有良好的臨床應(yīng)用前景。該研究以“An Integrated Therapeutic and Preventive Nanozyme-Based Microneedle for Biofilm-Infected Diabetic Wound Healing”為題發(fā)表在Advanced Healthcare Materials期刊上。

該研究以負載Fe2C NPs和GOx的高生物相容性的聚乙烯醇（PVA）作為可溶性針尖，以5%CS溶液作為背襯層，最終經(jīng)過干燥、脫模得到防治一體化的分層微針（Fe2C/GOx@MNs）。該微針應(yīng)用于生物膜感染的傷口組織時，其針尖可突破傷口部位腐爛組織及致密生物膜所產(chǎn)生的滲透屏障，借助傷口部位組織液將具有抗菌活性的Fe2C NPs/GOx快速釋放入生物膜內(nèi)部。盟友GOx的加入打破了傷口部位pH和H2O2濃度對Fe2C NPs抗生物膜能力的限制，加速MRSA生物膜的清除。進一步的研究闡明大量·OH的產(chǎn)生及細菌氧化還原穩(wěn)態(tài)的失衡是Fe2C/GOx@MNs主要的抗生物膜機制。此外，殼聚糖背襯層具備良好的透氣性、吸濕性和抗菌性能，不僅作為在傷口與外部環(huán)境之間的物理屏障作用，還阻止了環(huán)境中細菌在傷口愈合過程中發(fā)起的再次入侵（方案1）。以上結(jié)果證明該防治一體化納米酶微針有可能成為理想的促進生物膜感染的糖尿病傷口愈合的候選材料，并可應(yīng)用于各種相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

方案1 Fe2C/GOx@MNs清除糖尿病創(chuàng)面MRSA生物膜及預(yù)防再感染示意圖

Fe2C/GOx@MNs的制備與表征

將Fe2C NPs與GOx及25%PVA溶液混勻經(jīng)離心以填充到聚二甲基硅氧烷模具腔中，然后輕輕加入5%CS的醋酸溶液覆蓋針尖，最終脫模得到微針貼片。為了確保Fe2C/GOx@MNs能突破傷口部位腐爛組織及致密生物膜所產(chǎn)生的滲透屏障，研究者對其結(jié)構(gòu)及針尖機械性能進行全方位的測定，證實該微針貼片呈現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)且針尖具有足夠的機械力（0.7 N/針），能夠成功穿刺皮膚。具有優(yōu)良的吸濕性能和抗菌性能的背襯層可通過吸收創(chuàng)面滲出液抑制創(chuàng)面化膿，防止再感染的發(fā)生。研究者通過進一步的探索發(fā)現(xiàn)CS背襯層不僅呈現(xiàn)吸濕溶脹性能，且對MRSA具有顯著的殺傷能力。

大量的研究表明高水平的H2O2和低pH可以增強納米酶活性。GOx可以催化葡萄糖分解生成H2O2和葡萄糖酸，已被報道可用于打破來源于環(huán)境的H2O2和pH限制。因此，在該研究中，研究者借助草酸鈦鉀、pH計及3,3'，5,5' -四甲基聯(lián)苯胺對反應(yīng)體系中H2O2、酸堿度及·OH進行檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GOx的加入提升了反應(yīng)體系中H2O2的濃度同時也降低了pH值。更重要的是，F(xiàn)e2C NPs的類過氧化物酶活性得到了大大的增強，產(chǎn)生了更多的·OH。該結(jié)果在溶液體系及微針貼片中均得到了證實（圖1）。

圖1 Fe2C/GOx@MNs表征

Fe2C NPs/GOx體外抗生物膜性能測定及機理研究

在將Fe2C NPs/GOx裝入MNs之前，研究者在模擬糖尿病傷口條件下通過標準平板計數(shù)法、結(jié)晶紫法、熒光染色法對其體外抗菌性能進行評估。結(jié)果表明Fe2C NPs/GOx在體外呈現(xiàn)強的抗生物膜性能，其生物膜清除率高達93.21 ± 0.37%，且GOx的加入對生物膜的清除起正向促進作用（圖2）。

圖2 Fe2C NPs/GOx體外抗生物膜性能及其對EPS的損傷能力測定

為了進一步闡明Fe2C NPs/GOx的抗生物膜機制，研究者通過細致研究及多次驗證，將其抗生物膜機理總結(jié)如下：首先，·OH通過破壞胞外基質(zhì)的主要成分（eDNA、PIA和蛋白質(zhì)）誘導(dǎo)生物膜結(jié)構(gòu)解體。隨后，MRSA的細胞膜和細胞壁被破壞，細胞內(nèi)成分（離子、蛋白質(zhì)和DNA）外排。其次，磷酸戊糖途徑的抑制及相關(guān)酶的失活導(dǎo)致細胞內(nèi)谷胱甘肽含量降低，進而破壞了細菌氧化還原穩(wěn)態(tài)。最后，·OH超載進一步導(dǎo)致細菌基因組DNA斷裂，代謝抑制，加劇細胞結(jié)構(gòu)的破壞，最終實現(xiàn)生物膜清除（圖3）。

圖3 Fe2C NPs/GOx抗生物膜機制

Fe2C/GOx@MNs體內(nèi)抗生物膜性能測定及促傷口愈合能力評估

鑒于Fe2C NPs/GOx出色的體外抗生物膜活性，研究者隨后在MRSA生物膜感染的糖尿病傷口模型中評估了Fe2C/GOx@MNs的抗生物膜性能和促傷口愈合能力。結(jié)果表明相比于溶液處理組，微針處理組的生物膜清除率及傷口愈合率明顯得到了提升。更重要的是，在GOx的輔助下，抗生物膜能力增強，傷口愈合速率加快，F(xiàn)e2C/GOx@MNs（PVA）組和Fe2C/GOx@MNs組在第9天幾乎看不到傷口，且僅有少量MRSA菌落被觀察到。

為了進一步明確Fe2C NPs/GOx的促傷口愈合能力，研究者利用H&E染色、Masson染色和免疫熒光染色對傷口組織進行評估。結(jié)果表明，F(xiàn)e2C/GOx@MNs通過減少炎癥、促進膠原沉積、加速血管生成和成熟，對MRSA生物膜感染的糖尿病創(chuàng)面愈合具有顯著的促進作用（圖4）。

圖4 Fe2C/GOx@MNs體內(nèi)抗生物膜性能及促傷口愈合能力評估

Fe2C/GOx@MNs體內(nèi)預(yù)防再感染能力評估

雖然優(yōu)良的抗生物膜能力對于傷口的愈合是必要的，但是未愈合的傷口暴露在空氣中很容易會出現(xiàn)再次感染，進一步阻礙傷口的愈合。基于此，研究者通過將MRSA菌液滴加到微針貼片處理后的傷口處以模擬再次感染的發(fā)生，從而驗證微針貼片CS背襯層的預(yù)防再感染能力。結(jié)果表明，菌液處理后，PVA組創(chuàng)面面積明顯增大而CS背襯層組則減小且與對照組無差異，證明CS背襯層能夠殺死入侵的MRSA，保護未愈合創(chuàng)面。另外，標準平板計數(shù)法和革蘭氏染色的結(jié)論與上述一致（圖5）。

圖5 Fe2C/GOx@MNs體內(nèi)預(yù)防再感染性能評估

綜上所述，研究者設(shè)計了一種基于納米酶的防治一體化Fe2C/GOx@MNs微針貼片，并在體內(nèi)外水平對其抗生物膜性能及促傷口愈合能力進行了全面的驗證。該微針貼片的可溶性針尖可克服各種物理障礙，將Fe2C NPs/GOx遞送至生物膜內(nèi)部，高效去除生物膜。同時，具有良好透氣性、吸濕性和抗菌性的殼聚糖背襯層可以防止傷口愈合過程中再次感染。體外和體內(nèi)實驗結(jié)果均顯示GOx對Fe2C NPs有增強的抗菌作用。同時，體內(nèi)實驗結(jié)果也證明微針的應(yīng)用可以提高抗生物膜效果。此外，CS保護層在體內(nèi)的再感染預(yù)防能力也得到了驗證。上述工作表明該平臺在生物膜感染傷口愈合和保護方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清