研究簡介:糖尿病足潰瘍(DFU)是糖尿病最常見的慢性并發(fā)癥之一，常伴有長期炎癥、自主神經(jīng)異常和細菌感染，使糖尿病創(chuàng)面難以愈合。高糖微環(huán)境在糖尿病創(chuàng)面的發(fā)生和進化過程中起著重要作用。通常高糖微環(huán)境會促進糖基化，導(dǎo)致一系列副作用，包括慢性炎癥和血管損傷。氫分子已被證明是一種安全有效的抗炎劑，可改善缺血-再灌注損傷，激活皮膚細胞，促進傷口愈合。提出利用腫瘤、關(guān)節(jié)炎等疾病微環(huán)境中的還原性化學(xué)因子作為人工催化劑的犧牲劑，通過光催化途徑實現(xiàn)可持續(xù)的、可控的制氫，以提高氫治療的療效。近紅外(NIR)光催化有利于深部疾病的氫治療，但近紅外介導(dǎo)的光催化制氫效率普遍遠低于紫外光(UV)和可見光(VIS)。與NIR光催化相比，VIS光催化制氫更適用于糖尿病創(chuàng)面等淺表疾病的治療。本論文研究人員研制了一種金紅石單晶結(jié)構(gòu)的含氫氧化鈦納米棒(HTON)，作為具有適當(dāng)能帶結(jié)構(gòu)的可見光光敏光催化劑，利用葡萄糖作為犧牲劑實現(xiàn)VIS光催化制氫。光催化介導(dǎo)的局部葡萄糖消耗和產(chǎn)氫能夠顯著加速糖尿病創(chuàng)面愈合，為DFU的愈合提供了一種有前途的策略。此外所研制的HTON hydrogel敷料使用方便、安全，具有良好的臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用前景。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

在模擬溶液中，使用氫氣微電極(Unisense，丹麥)檢測氙燈照射下在HTON上VIS光催化生成的氫。在葡萄糖溶液(20 mM)中加入HTON制備模擬高糖環(huán)境，最終HTON濃度設(shè)置為200μg/mL。將1ml配制好的溶液放入一個特殊的容器中，然后將氫氣微電極（unisense）置于溶液上方，通過在黑暗中固定時間點照射溶液的氙燈反復(fù)開關(guān)來檢測氫分子。收集的溶液稀釋10倍后，使用葡萄糖測定試劑盒(Solarbio,BC2505)測定相應(yīng)時間點的葡萄糖濃度。在體外，收集細胞上清檢測VIS照射后的氫氣的濃度，同時過濾細胞上清去除納米顆粒，然后使用葡萄糖檢測試劑盒檢測葡萄糖濃度。

實驗結(jié)果

研究了光催化治療對糖尿病創(chuàng)面微環(huán)境的影響。由于基于HTON的光催化制氫和葡萄糖消耗具有抗凋亡、促增殖和促遷移的作用。糖尿病模型中CD31和VEGF的表達被抑制后迅速恢復(fù)，特別是在早期。這表明光催化抑制AGE-RAGE通路促進血管生成，支持糖尿病傷口愈合。設(shè)計并合成了一種具有金紅石單晶結(jié)構(gòu)的HTON。氫摻入對能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)制使HTON具有可見光吸收和vis光催化活性，使糖尿病創(chuàng)面高糖微環(huán)境中的葡萄糖成為犧牲劑。通過hton介導(dǎo)的vis光催化，在體外和體內(nèi)實現(xiàn)可控和可持續(xù)的葡萄糖消耗和產(chǎn)氫，共同減弱高糖的促凋亡作用，促進細胞增殖和遷移，支持糖尿病創(chuàng)面愈合。HTON+可見光具有良好的糖尿病創(chuàng)面愈合性能和較高的生物安全性，保證了HTON+可見光具有很高的臨床轉(zhuǎn)化潛力。

圖1、基于HTON的可見光觸發(fā)光催化治療糖尿病創(chuàng)面機理示意圖。

圖2、HTON納米催化劑的形貌、組成和尺寸表征。HTON的TEM圖(a)、HR-TEM圖(b)、XRD(c)、XPS圖(d,e)、VSM圖(f)、EPR譜(g)、FTIR譜(h)。a、b的實驗獨立重復(fù)了三次，結(jié)果相似。

圖3、HTON納米催化劑制氫和耗糖的能帶結(jié)構(gòu)和vis光催化行為。紫外-可見吸收光譜(a)，xps測定的TON和HTON的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)水平(b)，HTON的Mott-Schottky圖(c)，TON和HTON的能帶結(jié)構(gòu)(與正常氫電極(NHE))以及vis光催化制氫和消耗葡萄糖的機理示意圖(d)，在不同功率密度氙燈照射下，HTON納米催化劑在葡萄糖水溶液(20 mM)中的vis光催化制氫(e)和葡萄糖消耗(f)行為(n=3個生物獨立實驗)。

圖4、HTON納米催化劑制氫和耗糖的能帶結(jié)構(gòu)和vis光催化行為。紫外-可見吸收光譜(a)，xps測定的TON和HTON的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)水平(b)，HTON的Mott-Schottky圖(c)，TON和HTON的能帶結(jié)構(gòu)(與正常氫電極(NHE))以及vis光催化制氫和消耗葡萄糖的機理示意圖(d)，在不同功率密度氙燈照射下，HTON納米催化劑在葡萄糖水溶液(20 mM)中的vis光催化制氫(e)和葡萄糖消耗(f)行為(n=3個生物獨立實驗)。

圖5、HTON納米催化劑制氫和耗糖的能帶結(jié)構(gòu)和vis光催化行為。紫外-可見吸收光譜(a)，xps測定的TON和HTON的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)水平(b)，HTON的Mott-Schottky圖(c)，TON和HTON的能帶結(jié)構(gòu)(與正常氫電極(NHE))以及vis光催化制氫和消耗葡萄糖的機理示意圖(d)，在不同功率密度氙燈照射下，HTON納米催化劑在葡萄糖水溶液(20 mM)中的vis光催化制氫(e)和葡萄糖消耗(f)行為(n=3個生物獨立實驗)。

結(jié)論與展望

糖尿病足潰瘍(DFU)的高糖微環(huán)境引起過度糖基化，誘發(fā)慢性炎癥，導(dǎo)致DFU難以愈合。富氫水浴在臨床上可以通過氫分子的抗炎作用促進DFU的愈合，但長期每天浸泡不利于結(jié)痂的形成，不能改變高糖微環(huán)境，限制了DFU治療的效果。本論文研究提出了利用高糖微環(huán)境中的葡萄糖作為犧牲劑，光催化治療糖尿病創(chuàng)面，實現(xiàn)可持續(xù)的產(chǎn)氫和局部葡萄糖消耗。研制了含氫氧化鈦納米棒，實現(xiàn)了高效的可見光(VIS)響應(yīng)光催化葡萄糖消耗和產(chǎn)氫，實現(xiàn)了糖尿病創(chuàng)面愈合的高效。局部葡萄糖消耗和氫生成分別通過抑制晚期糖基化終末產(chǎn)物的合成及其受體的表達，共同減弱皮膚細胞的凋亡，促進其增殖和遷移。提出了vis光催化策略為DFU的快速、安全、高效處理提供了一種解決方案。