局部葡萄糖耗竭和NO持續(xù)釋放的級(jí)聯(lián)雙層微針貼片用于加速糖尿病傷口愈合

如今，糖尿病作為一種常見(jiàn)的慢性疾病，在全球范圍內(nèi)給患者生活帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。糖尿病足潰瘍（DFU）作為糖尿病的一種嚴(yán)重并發(fā)癥，令患者苦不堪言，并且是糖尿病患者面臨截肢風(fēng)險(xiǎn)的重要因素。DFU 的廣泛發(fā)生對(duì)糖尿病患者的家庭和整個(gè)醫(yī)療保健系統(tǒng)都造成了巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。皮膚傷口愈合是一個(gè)復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的過(guò)程，包括三個(gè)不同的階段：炎癥、增殖和重塑。然而，糖尿病傷口環(huán)境中的高血糖水平通常會(huì)阻礙傷口組織向關(guān)鍵的重塑階段過(guò)渡，從而導(dǎo)致慢性甚至不愈合傷口的形成。此外，通常由細(xì)菌感染引起的傷口過(guò)度炎癥也是導(dǎo)致組織再生受損的一個(gè)關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)的治療方法往往難以同時(shí)解決高血糖、細(xì)菌感染和炎癥等關(guān)鍵問(wèn)題，導(dǎo)致DFU的愈合過(guò)程緩慢且充滿挑戰(zhàn)。因此，降低葡萄糖濃度以及在創(chuàng)面床局部環(huán)境中輸送抗菌和抗炎劑已成為治療慢性糖尿病傷口的新型治療方法。近日來(lái)自武漢大學(xué)的一項(xiàng)最新科研成果為糖尿病傷口治療帶來(lái)了全新的希望——一種創(chuàng)新的雙層微針貼片。此微針貼片的核心在于其特別的雙層設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)局部葡萄糖消耗和持續(xù)釋放一氧化氮（NO）兩大功能。高血糖是糖尿病傷口難以愈合的關(guān)鍵因素之一，而該貼片通過(guò)葡萄糖氧化酶（GOx）的作用，能夠有效降低傷口局部的葡萄糖濃度，從而改善傷口微環(huán)境，為愈合創(chuàng)造有利條件。與此同時(shí)，貼片還能持續(xù)釋放NO，這是一種具有強(qiáng)大抗菌和抗炎作用的分子。NO能夠破壞細(xì)菌生物膜，殺滅致病菌，同時(shí)減輕炎癥反應(yīng)，進(jìn)一步促進(jìn)傷口愈合。這種時(shí)空響應(yīng)性的雙層微針貼片設(shè)計(jì)，使得治療更加精準(zhǔn)高效，能夠在傷口處快速發(fā)揮作用，加速愈合進(jìn)程。

這項(xiàng)研究成果以題為“Spatiotemporally responsive cascade bilayer microneedles integrating local glucose depletion and sustained nitric oxide release for accelerated diabetic wound healing"，在《Acta Pharmaceutica Sinica B》期刊發(fā)表。武漢大學(xué)藥學(xué)院博士研究生曾勇年為第一作者，武漢大學(xué)中南醫(yī)院黃建英主任和武漢大學(xué)藥學(xué)院黎威教授為共同通訊作者。

這種G/AZ-MN 微針貼片由兩部分組成：1) 由 MMP-9 可降解的甲基丙烯酸明膠（GelMA)包裹葡萄糖氧化酶 (GOx) 組成的頭部層；2)由可溶解透明質(zhì)酸（HA）制成的基底層，封裝有酸響應(yīng)型負(fù)載L-精氨酸的ZIF納米粒子（Arg@ZIF-8 NPs）（圖1A）。其中，該微針貼片是利用摩方精密 microArch® S240 （精度：10 μm）3D打印設(shè)備加工模具后經(jīng)PDMS翻模制備而成的。

在傷口部位應(yīng)用后，水溶性基底層迅速溶解，從而釋放出Arg@ZIF-8 NPs，同時(shí)將可降解的負(fù)載GOx的頭部層植入傷口組織中。在糖尿病傷口中高度表達(dá)的MMP-9酶的催化下，MNs的GelMA頂端加速降解，GOx被釋放到傷口組織中。GOx 酶隨后催化葡萄糖氧化，產(chǎn)生H2O2并通過(guò)葡萄糖酸降低pH值。這種雙重作用不僅降低了局部的葡萄糖水平，而且還啟動(dòng)了一個(gè)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，引發(fā)了Arg@ZIF-8 NPs的降解，導(dǎo)致Zn2+和Arg的釋放。釋放的Zn2+有效地抑制了細(xì)菌生物膜的形成，而Arg與H2O2反應(yīng)持續(xù)產(chǎn)生NO，從而通過(guò)抗菌和抗炎作用在促進(jìn)傷口愈合方面發(fā)揮關(guān)鍵作用（圖 1B）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種雙層微針貼片在治療糖尿病傷口方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，貼片能夠顯著加速傷口的愈合速度，減少炎癥和感染的發(fā)生，同時(shí)降低血糖水平。此外，該貼片還具有良好的生物相容性和安全性，不會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生不良影響。

研究人員首先成功制備了形態(tài)良好的G/AZ-MN微針貼片，能夠成功穿刺皮膚并實(shí)現(xiàn)給藥。標(biāo)記針尖的FITC熒光與RhB標(biāo)記基座部分Arg@ZIF-8 NPs顯著的熒光差異證明了微針的雙層結(jié)構(gòu)。此外，針尖的GelMA能夠有效響應(yīng)MMP-9促進(jìn)GOx的釋放，GOx啟動(dòng)葡萄糖的消耗反應(yīng)有效產(chǎn)生 H2O2并通過(guò)產(chǎn)生葡萄糖酸降低pH值引發(fā)基座部分ZIF-8納米粒子的降解（圖2）。

接著，研究人員驗(yàn)證了ZIF-8納米粒子降解產(chǎn)生的Zn2+與一氧化氮的抑菌效果，此微針貼片良好的酸響應(yīng)性抗菌對(duì)S.aureus為代表的革蘭氏陽(yáng)性菌和以E.coli為代表的革蘭氏陰性菌具有普遍殺傷作用，能夠抑制生物膜的形成和破壞形成的生物膜（圖3）。

然后，通過(guò)構(gòu)建糖尿病大鼠傷口感染模型驗(yàn)證了此微針貼片的治療效果，傷口處的H&E染色、TNF-α的免疫組化染色、平板涂布結(jié)果驗(yàn)證了貼片能夠顯著加速傷口的愈合速度，減少炎癥和感染（圖4）。

總結(jié)：本項(xiàng)工作中研發(fā)了一種雙層 MN 貼片 （G/AZ-MNs），它具有直接穿透形成的生物膜的能力，從而提高了藥物遞送效率。該貼片還能適應(yīng)糖尿病傷口的微環(huán)境，并持續(xù)釋放多功能 NO，從而通過(guò)其降血糖、抗菌和抗炎作用促進(jìn)慢性傷口愈合過(guò)程。封裝 GOx 的 MN 被證明在通過(guò)葡萄糖耗竭減輕局部高血糖方面非常有效。此外，MN基座中存在的 NPs 表現(xiàn)出酸響應(yīng)降解行為，釋放 Zn2+ 以引發(fā)抗菌作用。同時(shí)，從降解的 NPs 中釋放的 Arg 在 H2O2 存在下轉(zhuǎn)化為 NO，隨后引起抗菌作用并誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞極化以抗炎。此外，研究人員發(fā)現(xiàn) G/AZ-MNs 持續(xù)釋放 NO 可以上調(diào) （血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子）VEGF 的表達(dá)，從而促進(jìn)傷口新生血管形成。這種雙層微針貼片不僅對(duì)糖尿病傷口有效，而且對(duì)生物膜形成的糖尿病傷口也有效，在這兩種情況下都顯示出令人滿意的治療效果。