雅涵 iNature
活性氧（ROS）的过量产生严重影响糖尿病伤口愈合，虽然开发了许多抗ROS疗法，但很难在糖尿病伤口中建立理想的细胞内和细胞外ROS稳态。
2024年10月22日，空军军医大学胡大海、官浩、王洪涛共同通讯在Small 在线发表题为“Metformin Syncs CeO2 to Recover Intra- and Extra-Cellular ROS Homeostasis in Diabetic Wound Healing”的研究论文。为解决该问题，该研究设计并合成了一种介孔二氧化硅负载二甲双胍和CeO2的纳米粒MSN@Met-CeO2，随后将其封装在ROS响应性水凝胶中，制备成微针（MNs），以更好地应用于糖尿病伤口治疗。
有趣的是，MSN@Met-CeO2 MN合成过程中，形成了一种独特的二甲双胍-铈螯合物（Ce·3Metformin），增强了二甲双胍对线粒体复合物I的抑制作用。小鼠糖尿病伤口模型中，MSN@Met-CeO2 MN表现出优异的促愈合效果，能够加速炎症消退并增强血管生成，突出了其临床应用潜力。
糖尿病影响着全球数百万人，过去三十年中患病率迅速上升。据估计，到2030年，这一比例将从目前的5.1%上升至7.7%。糖尿病溃疡，尤其是不愈合的伤口，是糖尿病患者普遍存在的并发症，也是导致住院和截肢的主要原因。糖尿病溃疡往往会导致感染和组织坏死，20-40%的糖尿病治疗与溃疡相关。高血糖、神经病变和微循环障碍等病理因素加剧了糖尿病伤口的复杂性。清创、敷料、血运重建和辅助治疗（如负压伤口治疗和氧疗）等现有疗法，难以满足糖尿病伤口有效愈合的多维需求。从生理学上讲，活性氧（ROS）的产生主要来源于炎症细胞，并作为自限性炎症反应来对抗组织损伤或感染。然而，糖尿病伤口中持续的慢性炎症和缺氧状态通常会诱发严重的氧化应激损伤，导致炎症和非炎症细胞产生过多的ROS。过量ROS会触发程序性细胞死亡并加剧氧化应激损伤，严重阻碍伤口愈合。因此，有效清除伤口ROS是恢复伤口微环境稳态和促进伤口成功愈合的关键。
近期，开发了基于金属纳米颗粒（NP）的水凝胶伤口敷料，其具备高效的ROS消除和灵活的载药能力。然而，大多数基于NP的金属水凝胶主要关注细胞外抗氧化激活，忽视了内源性ROS平衡的恢复，限制了其在糖尿病伤口治疗中的应用。为克服上述限制，研究人员已经尝试用各种生物大分子或化合物来修饰NP，但由于在糖尿病伤口的低氧微环境下生物相容性差或生物活性受损，应用效果较差。
图1 MSN@Met-CeO2 MN制备及作为糖尿病伤口愈合的多功能敷料示意图（摘自Small ）
该研究将金属纳米粒子CeO2与抗糖尿病药物二甲双胍联合使用，以实现糖尿病伤口细胞内和细胞外ROS的高效清除。由于Ce3+/Ce4+的共存和表面氧空位的补偿，CeO2能够作为有效的细胞外ROS清除剂，通过类催化酶（CAT）活性或氧化还原反应来清除ROS。此外，二甲双胍可阻止糖尿病伤口组织中的细胞内氧化应激损伤。为最大限度地发挥二甲双胍和CeO2的作用，作者采用MSN作为纳米载体来静电包裹二甲双胍和共轭CeO2。有趣的是，MSN@Met-CeO2中出现了一种新的八面体金属螯合物Ce·3Metformin，其是由二甲双胍的金属结合特性形成。高葡萄糖处理的内皮细胞中，与单一使用二甲双胍或CeO2相比，MSN@Met-CeO2在调节AMPK-YAP信号通路中的活性增强，表现出更好的活性氧物质（mtROS）消除能力，对于减少线粒体分裂和mtROS产生至关重要。
为研究MSN@Met-CeO2增强二甲双胍介导的细胞内ROS清除的潜在机制，通过拉曼光谱分析确定MSN@Met-CeO2的细胞摄取及其作为二甲双胍衍生物在内皮细胞中的作用机制。正如预期的那样，MSN@Met-CeO2可以被人脐静脉内皮细胞吸收，并减少mtROS的产生。二甲双胍特异性地与线粒体复合物I的几种酶态结合，抑制线粒体复合物I的活性，从而抑制mtROS的生成。通过分子对接和线粒体复合物I活性分析，比较了二甲双胍或Ce·3Metformin与复合物I的结合位点和亲和力，发现Ce·3Metformin与复合物I的亲和力更高，能更有效地阻断醌结合通道（Q通道）。因此，MSN@Met-CeO2可以降低线粒体呼吸，减弱mtROS及ATP的产生，激活AMPK并增加AMPK介导的YAP磷酸化。作者还发现，激活AMPK-YAP磷酸化状态可以抑制YAP的核输入并减少下游线粒体动力蛋白相关蛋白1（DRP1）基因的表达。
图2 MSN@Met-CeO2的制备与表征（摘自Small ）
MSN@Met-CeO2在内皮细胞中具备优异的抗ROS和促血管生成效果，为更好地应用糖尿病伤口，将MSN@Met-CeO2嵌入ROS响应性水凝胶微针（MN）中，作为糖尿病伤口的可生物降解敷料贴剂。最后，作者评估了MSN@Met-CeO2 MN在糖尿病小鼠模型中消除ROS并促进伤口愈合的体内疗效。MSN@Met-CeO2 MN通过调控AMPK-YAP-mtROS信号通路和类CAT活性，在细胞内和细胞外均表现出优异的ROS消除活性。总之，该研究证明了利用MSN@Met-CeO2 MN作为糖尿病伤口敷料来协同促进ROS消除、炎症消退和血管再生的可行性和优越性。
参考消息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202407802