糖尿病足潰瘍(DFU)是糖尿病最常見(jiàn)的慢性并發(fā)癥之一，常伴有長(zhǎng)期炎癥、自主神經(jīng)異常和細(xì)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(jìn)化過(guò)程中起著重要作用。通常高糖微環(huán)境會(huì)促進(jìn)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(xì)胞，促進(jìn)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(guò)光催化途徑實(shí)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(yuǎn)低于紫外光(UV)和可見(jiàn)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(jiàn)光光敏光催化劑，利用葡萄糖作為犧牲劑實(shí)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(cè)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(gè)特殊的容器中，然后將氫氣微電極（unisense）置于溶液上方，通過(guò)在黑暗中固定時(shí)間點(diǎn)照射溶液的氙燈反復(fù)開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)氫分子。收集的溶液稀釋10倍后，使用葡萄糖測(cè)定試劑盒(Solarbio,BC2505)測(cè)定相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的葡萄糖濃度。在體外，收集細(xì)胞上清檢測(cè)VIS照射后的氫氣的濃度，同時(shí)過(guò)濾細(xì)胞上清去除納米顆粒，然后使用葡萄糖檢測(cè)試劑盒檢測(cè)葡萄糖濃度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究了光催化治療對(duì)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(dá)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(jìn)血管生成，支持糖尿病傷口愈合。設(shè)計(jì)并合成了一種具有金紅石單晶結(jié)構(gòu)的HTON。氫摻入對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)制使HTON具有可見(jiàn)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(guò)hton介導(dǎo)的vis光催化，在體外和體內(nèi)實(shí)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(jìn)細(xì)胞增殖和遷移，支持糖尿病創(chuàng)面愈合。HTON+可見(jiàn)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(jiàn)光具有很高的臨床轉(zhuǎn)化潛力。

圖1、基于HTON的可見(jiàn)光觸發(fā)光催化治療糖尿病創(chuàng)面機(jī)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(shí)驗(yàn)獨(dú)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(jiàn)吸收光譜(a)，xps測(cè)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(jī)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(gè)生物獨(dú)立實(shí)驗(yàn))。

圖4、基于葡萄糖消耗和產(chǎn)氫的光催化治療的體外效應(yīng)和機(jī)制。VIS光催化治療糖尿病創(chuàng)面的機(jī)制示意圖(a)，細(xì)胞內(nèi)VIS光催化H2生成和葡萄糖消耗(n=3個(gè)生物獨(dú)立樣本)。(b)，體外細(xì)胞培養(yǎng)3天后晚期糖基化終產(chǎn)物(AGEs)(n=5個(gè)生物獨(dú)立樣本)及其受體(RAGE)(n=4個(gè)生物獨(dú)立樣本)的表達(dá)。(c)，vis光催化治療對(duì)HMEC-1細(xì)胞增殖(n=4個(gè)生物獨(dú)立樣本)。(d)、凋亡(n=3個(gè)生物獨(dú)立樣本)(e,f)和(g,h)遷移(n=3個(gè)生物獨(dú)立樣本)的影響。采用TUNEL(末端脫氧核苷基轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的dUTP缺口末端標(biāo)記)試劑盒中的熒光素標(biāo)記三磷酸脫氧尿苷(dUTP-fitc)對(duì)e)細(xì)胞凋亡細(xì)胞進(jìn)行綠色熒光成像。通過(guò)在h細(xì)胞邊緣繪制白線來(lái)識(shí)別不同處理時(shí)間后的細(xì)胞遷移情況。l-抗壞血酸(AA)和四硫酸鈉(STT)作為單個(gè)氫的空穴犧牲劑和電子犧牲劑分別產(chǎn)生和消耗葡萄糖。

圖5、用HTON Gel建立糖尿病創(chuàng)面模型及治療過(guò)程;a)糖尿病傷口的數(shù)字圖像。b)相應(yīng)的創(chuàng)面大小統(tǒng)計(jì)。c),在處理過(guò)程中(n=5個(gè)生物獨(dú)立樣本)，第7天和第14天提取的創(chuàng)面組織(d)蘇木素-伊紅染色法(H&E)和(e)馬松三色染色法的圖像。

結(jié)論與展望

糖尿病足潰瘍(DFU)的高糖微環(huán)境引起過(guò)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(guò)氫分子的抗炎作用促進(jìn)DFU的愈合，但長(zhǎng)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(shí)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(shí)現(xiàn)了高效的可見(jiàn)光(VIS)響應(yīng)光催化葡萄糖消耗和產(chǎn)氫，實(shí)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(guò)抑制晚期糖基化終末產(chǎn)物的合成及其受體的表達(dá)，共同減弱皮膚細(xì)胞的凋亡，促進(jìn)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。