氢气和氧气辅料治疗糖尿病足溃疡新概念

慢性伤口，尤其是糖尿病足溃疡（DFUs），是全球医疗领域面临的一项重大挑战，给医疗保健专业人员带来了极大的复杂性。据估计，全球约有2500万人受其影响 [1], [2], [3]。这一问题不仅对患者的生活质量产生负面影响，增加了心理社会压力，而且由于伤口需要长期的临床管理，还带来了沉重的经济负担。有效的伤口管理旨在促进伤口快速愈合并预防感染 [3]。然而，糖尿病伤口中的细胞和组织长期处于高血糖环境中，会导致促炎细胞因子和活性氧（ROS）的过度产生，这在炎症阶段会阻碍伤口愈合的进程 [4]。这会显著抑制愈合过程、血管生成和肉芽组织的形成，并造成不良的缺氧状况 [5]。此外，伤口中较高的血糖水平会促进细菌生长和生物膜的形成，从而降低传统抗生素治疗的效果 [6]。长期的高血糖水平会加剧晚期糖基化终末产物的糖化程度和炎症反应，延缓血管再通和上皮再生。因此，为了开发出能够促进糖尿病足溃疡最佳愈合效果的先进伤口敷料，解决活性氧、细菌感染、缺氧、糖化和炎症等问题势在必行 [5], [7]。

 Yang Y, Ding D, Huang C, Ding X, Wang T, Zhuo M, Wang H, Kai S, Cheng N. Development of an aminoguanidine hybrid hydrogel composites with hydrogen and oxygen supplying performance to boost infected diabetic wound healing. J Colloid Interface Sci. 2025 Mar 20;691:137401. doi: 10.1016/j.jcis.2025.137401. Epub ahead of print. PMID: 40157079.

最近，人们越来越关注使用创新的治疗方法，如供气纳米材料，来加速伤口愈合 [8], [9], [10], [11]。氢气（H₂）和氧气（O₂）这两种参与各种细胞过程的重要气体，在调节炎症、减轻氧化应激和促进组织再生方面发挥着关键作用 [11]。众多研究表明，氢气作为一种生理上呈惰性且相对不活泼的气体，具有抗炎特性 [12]。它能选择性地与高活性物质，如羟基自由基（·OH）和过氧亚硝酸盐（ONOO⁻）相互作用，而不干扰维持正常细胞功能所必需的其他活性氧 [13]。此外，研究已证明氢气可通过下调促炎细胞因子的产生发挥显著的抗炎作用，从而减轻炎症反应 [14]。氢气疗法因其独特的调节活性氧稳态和生物安全性的能力，在糖尿病伤口愈合领域引起了广泛关注。例如，贺等人 [15] 开发了掺入氢气的二氧化钛纳米棒，通过可见光诱导的光催化作用有效地产生氢气，在糖尿病伤口愈合方面取得了显著疗效。陶等人 [16] 制备了一种释放氢气的微针贴片，使用负载氨硼烷（AB）的介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）作为氢气源，进一步提升了氢气在糖尿病伤口愈合中的治疗潜力。

此外，氧气对于与损伤反应和伤口愈合级联相关的众多过程至关重要 [17], [18]。因此，确保充足的氧气供应对于有效的伤口修复至关重要。氧气对于细胞因子和生长因子的产生至关重要，这些因子包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶、超氧化物歧化酶（SOD）和其他解毒剂 [18]。它还参与调节、新生血管形成、细胞增殖、迁移和细胞外基质形成等关键过程 [19]。然而，慢性伤口的缺氧微环境往往会导致活性氧的过度积累，加剧氧化应激和慢性炎症 [20]。目前，提供直接氧气的疗法，包括高压氧疗法和局部氧气疗法，已广泛应用于各种病因引起的慢性伤口的治疗 [18]。尽管这些直接氧气疗法应用广泛，但它们受到氧气溶解度低、组织渗透性差以及难以在伤口部位维持有效氧气浓度等因素的限制 [21]。因此，原位产生氧气的方法备受期待。

一种很有前景的方法是使用酶或模拟酶的纳米材料将内源性过氧化氢（H₂O₂）催化转化为氧气。天然过氧化氢酶（CAT）是一种生物安全酶，能够有效地水解外源性或内源性过氧化氢以产生氧气 [22]，从而为组织愈合提供必要的氧气供应。例如，李等人 [23] 设计了一种由负载过氧化氢和过氧化氢酶的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）基复合微球组成的氧气释放系统，提高了心脏干细胞治疗的效果。最近，康及其同事 [24] 利用活体雨生红球藻产生氧气，有效地解决了缺氧问题并促进了血管再生。包括酶或微藻在内的生物系统的活性和稳定性，会受到pH值和温度等环境因素的显著影响。这些因素常常限制了系统维持长时间催化性能的能力。为了克服这些限制，人们开发了许多人工纳米酶，包括二氧化锰（MnO₂）[25]、硫化镍（NiS）[26]、碳点 [27]、二硫化钼（MoS₂）[28]、四氧化三铁（Fe₃O₄）[29] 和二氧化铈（CeO₂）[30] 等。这些材料表现出类似过氧化氢酶和过氧化物酶的活性，能够在糖尿病伤口愈合应用中有效地产生氧气。例如，张等人 [31] 开发了能够有效模拟过氧化氢酶（CAT）的铂纳米颗粒组件，能够催化过氧化氢产生氧气并调节免疫系统，从而促进糖尿病伤口的持续愈合。目前的氧气（O₂）生成策略在改善伤口愈合的治疗效果方面已显示出巨大的潜力。然而，在慢性伤口治疗中，将多种气体（如氢气（H₂）和氧气（O₂））结合使用的协同效应仍有待深入研究。贺等人 [32] 证明，氧气和氢气的联合使用具有强大的抗菌性能，可促进血管生成，加速伤口床的上皮化，并增强抗炎反应。因此，开发能够整合多种治疗性气体的先进平台，对于解决慢性伤口愈合相关的挑战具有巨大潜力。

水凝胶敷料因其高含水量、生物相容性以及维持伤口湿润环境的能力（这对最佳愈合至关重要），已被公认为伤口护理的理想平台 [33], [34]。一种多功能的可注射且具有自愈合能力的水凝胶已被开发出来，以满足不同临床实践的需求。这种水凝胶在局部应用时，能够很好地贴合不规则的伤口轮廓，并有效地粘附在伤口组织上 [7], [35], [36], [37]。此外，将可逆的共价化学键引入水凝胶中，是实现药物可控释放的一种很有前景的方法。各种动态共价键可以响应葡萄糖、pH值、活性氧、温度和酶等刺激而分解，从而促进药物在特定伤口微环境中的精确释放 [38], [39]。先前的研究表明，由二醇和硼酸形成的硼酸酯键非常适合用于糖尿病溃疡的治疗，因为它们对高浓度的葡萄糖和过氧化氢具有响应性 [40], [41]。此外，研究表明硼酸可以与含氮药物形成硼氮（B-N）配位键，这可能会延长药物的释放周期 [42]。氨基胍（AG）是一种已被广泛认可的晚期糖基化终末产物（AGE）形成抑制剂，已成为慢性伤口护理中一种很有前景的治疗药物 [43]。目前，由葡萄糖氧化酶催化的葡萄糖消耗策略已显示出在减少晚期糖基化终末产物产生方面的潜力 [44], [45]。然而，到目前为止，还没有开发出用于响应性释放氨基胍以治疗糖尿病足伤口的系统。

考虑到这些方面，我们合成了负载在中空介孔普鲁士蓝（HPB）上的氨硼烷（AB），并用聚多巴胺（PDA）对其表面进行修饰，形成了PAP纳米颗粒。随后，将氨基胍和PAP纳米颗粒掺入动态硼酸酯键和席夫碱交联的混合水凝胶中，得到了一种多功能混合水凝胶（PAP@Gel）（方案1）。普鲁士蓝纳米颗粒（PB）作为人工纳米酶，因其类似过氧化氢酶的活性而被广泛应用，可将内源性活性氧转化为氧气 [46]。这一过程缓解了慢性伤口的缺氧微环境，促进了术后感染伤口的愈合。选择中空介孔普鲁士蓝纳米颗粒作为潜在的纳米负载平台，是因为它们具有较大的比表面积、较高的载药能力，并且保留了纳米酶的特性 [47]。氨硼烷在酸性条件下会产生氢气，有助于减轻活性氧的过度产生并减少促炎细胞因子，从而实现氢气和氧气的协同治疗 [48]。聚多巴胺用于修饰中空介孔普鲁士蓝的表面性质，防止纳米颗粒聚集，并提高PAP系统在生理条件下的稳定性 [49]。此外，聚多巴胺具有优异的生物相容性和高光热转换效率，有助于基于光热疗法的杀菌效果 [50]。

这种水凝胶是使用双动态键合系统制备的，该系统由氟苯基硼酸修饰的季铵化壳聚糖（QCSF）和氧化葡聚糖（OD）之间的席夫碱和动态苯基硼酸酯键组成。与传统水凝胶相比，该系统赋予水凝胶优异的生物相容性、可注射性、自愈合性能和更强的粘附性。引入硼氮配位键和席夫碱键有助于将氨基胍和氨硼烷整合到水凝胶网络中。糖尿病伤口的高血糖和弱酸性微环境使水凝胶能够释放氨基胍，氨基胍可抑制晚期糖基化终末产物的形成，防止皮肤细胞凋亡，并促进细胞增殖和迁移。这些都是改善糖尿病伤口愈合的关键过程。此外，交联的阳离子季铵化壳聚糖（CS）主链增强了PAP@Gel的抗菌活性，提高了其在伤口护理中的效果。

正如预期的那样，所制备的PAP@Gel在氢气和氧气供应、光热效应、减少晚期糖基化终末产物形成、抗菌活性、缓解过度炎症、促进血管生成和清除细菌等方面具有多种功能。基于这些优势，我们假设PAP@Gel能够促进炎症期向增殖期的转变，并在金黄色葡萄球菌（S. aureus）感染的全层皮肤模型中促进胶原蛋白沉积和血管生成，通过解决糖尿病伤口微环境中伤口愈合过程的多个方面，显示出其在快速修复糖尿病足溃疡方面的巨大潜力。