题目：Octopus-Inspired Adaptive Molecular Motion for Synergistic Photothermal and Nitric Oxide Antibacterial Therapy in Diabetic Wound Repair
期刊： Advanced Functional Materials
影响因子：18.5
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202402591
汇报人：郭旭华 2023 级硕士
细菌感染，特别是那些来自耐药菌株的细菌感染，对糖尿病皮肤损伤的愈合构成重大威胁，目前的治疗方法很复杂，而且往往不令人满意。受章鱼的启发，开发了一种仿生材料，使用𝛼-cyclodextrin(𝛼-CD)和聚乙二醇(PEG)与氧化石墨烯末端覆盖的聚轮烷(GO-PR)组装，其中𝛼-CD模仿了章鱼的柔性触手。此外，𝛼-CD用聚乙烯亚胺(PEI)进行阳离子改性，类似于章鱼吸盘，产生GO-PRP，可以有效捕获并粘附细菌。重要的是，为了模拟章鱼的墨水防御，GO-PRP被用作一氧化氮(NO)的载体，从而产生GO-PRP/NONOate。利用氧化石墨烯的光热转化，近红外光照射触发快速加热和NO释放，提供有效的抗菌活性和生物膜分散，显著减少I型大鼠糖尿病皮肤损伤的炎症。在伤口愈合过程中，持续的NO释放促进血管内皮生长因子的产生和血管再生，促进胶原蛋白的形成，缩短糖尿病皮肤感染的愈合时间。因此，受章鱼启发的GO-PRP/NONOate作为治疗糖尿病伤口耐药细菌感染的新型生物材料在生物医学领域崭露头角。
糖尿病皮肤损伤（DSI）是糖尿病最严重的并发症之一，发病率高达25%。细菌感染加剧了DSI病变组织的炎症反应，造成组织坏死-细菌感染-组织坏死的恶性循环，其中耐药菌进一步复杂化了DSI的治疗。一氧化氮（NO）是一种内源性双原子气态分子，是细胞间的关键信号因子，在各种生理和病理过程中起着至关重要的调节作用。在这项研究中，受章鱼使用其灵活的触手缠绕和捕获猎物的方式的启发，作者从以其灵活的分子运动而闻名的聚轮烷中汲取灵感。作者将𝛼-cyclodextrin(𝛼-CD)和聚乙二醇(PEG)组装成一个主客系统，用氧化石墨烯(GO)覆盖，形成类似章鱼触手的聚轮烷(PR)链(GO-PR)。用阳离子聚乙烯亚胺(PEI)修饰可滑动和旋转的聚轮烷链上的𝛼CDs，模拟章鱼触手上的吸盘，制备了具有高效细菌捕获和粘附能力的仿生材料(GO-PRP)，并探讨了其仿生结构与细菌相互作用的效率。为了模拟章鱼快速产生墨水使其猎物瘫痪的行为，利用GO-PRP的光热特性携带NO，从而得到GO-PRP/NONOate。
1. 章鱼拟态材料GO-PRP的合成与表征
图1. 章鱼仿生材料GO-PRP的制备与表征a)章鱼仿生材料GO-PRP的制备过程示意图。b) GO、GO-PRP和GO-PRP /NONOate的透射电镜(TEM)测量。c) GO、GO-PRP和GO-PRP /NONOate的原子力显微镜(AFM)图像。d) GO、GO-PRP和GO-PRP /NONOate中沿白线的高度剖面图。e)不同纳米材料(PPR, GO, GO-PR)的FTIR光谱。f)不同PPR: GO投喂比例下GO-PR的Zeta电位。g)不同纳米材料(GO, GO-PR和GO-PRP)的Zeta电位。
图2. GO-PRP/NONOate光热性能及NO释放。a)制作过程的示意图和近红外激光诱导的光热效应，旨在模拟章鱼快速分泌墨水以固定猎物的独特机制。b)不同纳米材料(GO-PR、GO-PRP和GO-PRP/NONOate)的FTIR光谱。c)经Griess试剂处理后，GO-PRP、GO-PRP/NONOate、GOPRP/NONOate在柠檬酸钠缓冲液(pH 4.0)中的紫外-可见吸收。d) 37℃时PBS (pH 7.4)中GO-PRP/NONOate中NO的累积释放量，n = 3。e)不同材料(PBS, GO-PRP, GO-PRP/NONOate)的光热效应。f)不同浓度(0、3.125、6.25、12.5、25和50 μg mL−1)的光热效应。g)不同材料(PBS、GO-PRP、GO-PRP/NONOate)在近红外808 nm激光照射下的热像图。h) GO-PRP/NONOate (50 μg mL-1)在不同功率(0、0.5、1.0和1.5 W cm−2)的808 nm近红外激光下的光热效应。i)近红外808 nm激光照射(1.0 W cm−2)下GO-PRP/NONOate的连续辐照-冷却曲线。j)连续激光照射、交替激光照射(开5分钟、关5分钟)和无激光照射条件下GO-PRP/NONOate中NO的释放情况。
2.章鱼结构GO-PRP/NONOate的抗菌功效分析
图3. 章鱼结构GO-PRP/NONOate对MRSA的粘附性和抗菌效果。a)仿章鱼GO-PRP/NONOate结构的抗菌性能示意图。b)不同处理的细菌在不同时间的共聚焦图像。c)分别用GO-PRP、GO-PRP和GO-PRP /NONOate处理的细菌在15、30和60 min时的共聚焦图像计算相对平均荧光强度。比尺= 10 nm。d) GO、GO-PRP和GO-PRP/NONOate处理过的细菌活力。在至少三个独立实验(n≥3)的基础上，数值通常以均数±标准差(SD)表示。两组之间的比较采用双尾(ρ= 0.05) Student’s t-tests进行验证。***p < 0.001，****p < 0.0001。p < 0.05为差异有统计学意义。
3.章鱼模拟GO-PRP/NONOate结构对细菌DNA和膜损伤的评估
图4. 仿生章鱼GO-PRP/NONOate结构的抗菌机制a)可移动阳离子配体诱导的细菌膜损伤、DNA释放和DNA损伤示意图，并有效地将NO传递到细菌中。b)不同处理菌悬液收集的上清液OD260值。c) TUNEL测定不同处理对MRSA DNA的损伤程度。TUNEL染色可将受损DNA染成绿色，绿色荧光的强度代表DNA的损伤程度。标尺= 100 μm。d)记录不同处理后MRSA的Syto-9/PI双荧光共聚焦图像。标尺= 20 μm。e) MRSA扫描电镜图像显示不同处理后的细菌膜变形。红色箭头表示细菌膜在不同处理下严重转化和塌陷。标尺= 2 μm。在至少三个独立实验(n≥3)的基础上，数值通常以均数±标准差(SD)表示。两组之间的比较采用双尾(ρ= 0.05) Student’s t-tests进行验证。**p < 0.01。p < 0.05为差异有统计学意义。
4.GO-PRP/NONOate中一氧化氮和光热联合机制研究生物膜分散
图5. 对MRSA生物膜的粘附作用。a)不同配方(GO-PRP、GO-PRP和GO-PRP /NONOate)培养的MRSA生物膜在不同时间的荧光图像。标尺= 100 μm。b) MRSA生物膜形成的代表性3D活/死图像。c)使用ImageJ分析不同组的相对平均荧光强度。d)不同配方对MRSA的生物膜根除效果。e)不同处理后的MRSA生物膜。标尺= 2 μm。在至少三个独立实验(n≥3)的基础上，数值通常以均数±标准差(SD)表示。两组之间的比较采用双尾(ρ = 0.05) Student’s t-tests进行验证。**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001。P < 0.05为差异有统计学意义
5.章鱼结构的GO-PRP/NONOate血管修复和再生能力评估
图6.GO-PRP/NONOate的促血管生成修复功能。a) GO-PRP/NONOate促进血管生成的示意图。b)细胞迁移图像。标尺= 100 μm。c) DMEM、GO-PRP和GO-PRP/NONOate相对迁移区域的定量分析。d) DMEM、GO-PRP、GO-PRP/NONOate处理后的增殖率。e) HUVECs中VEGF的mRNA水平。f) HUVECs中bFGF mRNA水平。g)各组HUVECs成管的亮场图像。标尺= 200 μm。h)各组HUVECs节点数。i)各组HUVECs总管长。j) DSI大鼠第13天创面愈合进展的多普勒成像分析。在至少三个独立实验(n≥3)的基础上，数值通常以均数±标准差(SD)表示。两组之间的比较采用双尾(ρ = 0.05) Student’s t-tests进行验证。* p < 0.05, * * p < 0.01, * * * p < 0.001, * * * * p < 0.0001。p < 0.05为差异有统计学意义。
6.章鱼拟态GO-PRP/NONOate结构加速糖尿病皮肤损伤愈合
图7. DSI大鼠细菌感染模型的体内治疗效果。a)体内实验示意图。b)不同处理后不同天数大鼠状态及伤口面积变化的数字图像。比例尺= 2 mm。c)不同处理后不同天数大鼠伤口面积比较。d)第7天不同处理的MRSA存活率比较。e)胶原沉积定量分析。f)第13天伤口组织的H&E和Masson染色组织学图像。黑色圆圈表示中性粒细胞。标尺= 60 μm。根据至少5个独立实验(n≥5)，这些值通常以平均值±标准差(SD)表示。两组间的比较采用双尾(𝛼 = 0.05) Student’s t-tests进行验证。* p < 0.05, * *p < 0.01, * * * p < 0.001, * * * * p < 0.0001。p < 0.05为差异有统计学意义。
7.章鱼结构模拟GO-PRP/NONOate调节炎症和促进血运重建
图8. 创面修复的生物学机制研究。a) VEGF和CD163的免疫组织化学和免疫荧光特性，以及CD31(红色)和𝛼-SMA(绿色)的双重免疫荧光标记。标尺= 50 μm。b) VEGF覆盖面积的定量评价。c) CD163阳性细胞的定量分析。d) CD31覆盖面积的定量评价。e) 7天各种治疗后的PET成像。f) PET成像对不同处理后18F-FDG摄取的定量分析。g) IL-6的定量分析。h) IL-1β的定量分析。i) TNF-α定量分析。在至少5个独立实验(n≥5)的基础上，数值通常以均数±标准差(SD)表示。两组之间的比较采用双尾(ρ= 0.05) Student’s t-tests进行验证。*p < 0.05，**p < 0.01， ***p < 0.001。p < 0.05为差异有统计学意义。
8.章鱼结构的GO-PRP/NONOate的生物安全性评估
图9. 章鱼仿生材料GO-PRP/NONOate的生物相容性研究a)近红外辐照下不同浓度GO-PRP和GOPRP/NONOate处理后的HACAT活力。b)近红外辐照下不同浓度GO-PRP和GO-PRP/NONOate处理后NIH 3T3活力的变化。c) GO-PRP/NONOate(3.125、6.25、12.5、25和50 μg mL-1)孵育0.5 ~ 24 h后红细胞溶血情况的评价。以H2O和PBS为阳性对照和阴性对照。d)各组大鼠各天体重变化情况。e)治疗13天后大鼠心、肝、脾、肺、肾的H&E染色图。标尺= 60 μm。
在这项研究中，受章鱼猎物纠缠的启发，作者利用具有柔性分子运动的聚轮烷链作为章鱼的触手，并利用这些链上的阳离子环糊精作为吸盘，开发了一种用于有效捕获和粘附细菌的仿生材料(GO-PR)。此外，为了模拟章鱼对猎物麻痹的快速墨水释放，作者使用具有光热转换能力的GO-PRP作为NO的载体，得到GO-PRP/NONOate。在近红外光的控制下，GO-PRP/NONOate快速释放NO，结合光热效应，有效杀死细菌和分散生物膜，缩短皮肤感染的炎症周期。在MRSA感染的大鼠DSI模型中，作者证明了NO和光热治疗在感染阶段的协同治疗作用。利用正电子发射断层扫描(PET/CT)和分子生物学方法，发现NO联合光热处理可降低促炎细胞因子IL-1β、IL-6和TNF-α时延的表达，从而抑制DSI的炎症反应。重要的是，在DSI愈合阶段，NO的持续缓慢释放可有效增加VEGF、CD163和CD31的表达，加速创面血管的修复和再生，促进胶原蛋白的生成，促进病变部位肉芽组织的再生，有效缩短DSI的愈合期。受章鱼结构的启发，在前期研究的基础上，作者开发了一种更安全、更有效的DSI抗菌修复仿生材料GO-PRP/NONOate，在耐药细菌引起的糖尿病伤口感染领域有广阔的应用前景。