Photocatalytic glucose depletion and hydrogen generation for diabetic wound healing

光催化葡萄糖耗竭和產(chǎn)氫用于糖尿病傷口愈合

來(lái)源：Nature Communications | (2022) 13:5684

 

一、摘要概述

 

論文開(kāi)發(fā)了一種摻氫二氧化鈦納米棒（HTON）光催化系統(tǒng)，用于糖尿病傷口的高效治療：

 

核心創(chuàng)新：通過(guò)可見(jiàn)光（VIS）驅(qū)動(dòng)的光催化反應(yīng)，利用傷口局部葡萄糖作為犧牲劑，同步實(shí)現(xiàn) 葡萄糖消耗 和 氫氣生成。

 

雙重機(jī)制：

 

葡萄糖消耗降低晚期糖基化終末產(chǎn)物（AGEs）合成，減輕糖毒性。

 

原位產(chǎn)氫抑制AGE受體（RAGE）表達(dá)，緩解炎癥并促進(jìn)細(xì)胞遷移。

 

治療效果：在STZ誘導(dǎo)的糖尿病小鼠模型中，創(chuàng)面愈合速度接近正常水平（14天愈合率達(dá)85%），且無(wú)系統(tǒng)性毒性。

 

二、研究目的

 

解決糖尿病足潰瘍（DFU）難愈合的核心問(wèn)題：

 

臨床瓶頸：傳統(tǒng)氫水浸泡療法需長(zhǎng)期浸泡，阻礙結(jié)痂形成，且無(wú)法改變高糖微環(huán)境。

 

科學(xué)挑戰(zhàn)：高糖微環(huán)境（>20 mM）誘導(dǎo)AGEs積累，引發(fā)慢性炎癥和細(xì)胞凋亡。

 

研究目標(biāo)：開(kāi)發(fā)局部、可控的葡萄糖消耗與產(chǎn)氫協(xié)同策略，靶向AGEs-RAGE通路。

 

三、研究思路

 

材料設(shè)計(jì)：

 

合成摻氫二氧化鈦納米棒（HTON），通過(guò)氫摻雜調(diào)整能帶結(jié)構(gòu)（HOMO: 1.31 V，LUMO: -0.56 V），使其響應(yīng)可見(jiàn)光（圖2-3）。

 

 

 

負(fù)載于溫敏性殼聚糖/透明質(zhì)酸水凝膠（HTON@Gel），便于傷口敷料應(yīng)用（透光率85%）。

 

機(jī)制驗(yàn)證：

 

體外：在高糖培養(yǎng)的皮膚細(xì)胞（HaCaT, HSF, HMEC-1）中，驗(yàn)證光催化抗凋亡、促遷移效應(yīng)（圖4）。

 

 

 

體內(nèi)：在STZ誘導(dǎo)的糖尿病小鼠模型中，評(píng)估創(chuàng)面愈合、AGEs/RAGE表達(dá)及組織再生（圖5-6）。

 

 

 

光催化過(guò)程：

 

VIS照射（400-700 nm，0.05 W/cm2）觸發(fā)反應(yīng)：

 

葡萄糖+H2OHTON, VIS

 

葡萄糖酸+H2

 

四、測(cè)量的數(shù)據(jù)及其研究意義

1. 材料表征與光催化性能

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2（TEM/XPS）、圖3（UV-Vis/能帶結(jié)構(gòu)）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

HTON尺寸：~20 nm × 100-400 nm（棒狀），可見(jiàn)光吸收顯著增強(qiáng)（圖3a）。

 

產(chǎn)氫速率：0.6 mmol/g/h（20 mM葡萄糖溶液，VIS照射）。

 

研究意義：氫摻雜成功縮小帶隙（1.87 eV），使HTON成為高效VIS光催化劑。

 

2. 體外細(xì)胞效應(yīng)

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖4（AGEs/RAGE檢測(cè)、細(xì)胞功能）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

AGEs下降50%：光催化耗糖抑制AGEs生成（圖4c）。

 

細(xì)胞遷移提升3倍：HTON+VIS組劃痕愈合速度最快（圖4g）。

 

研究意義：證實(shí)雙重機(jī)制協(xié)同作用——耗糖阻斷了糖毒性，產(chǎn)氫促進(jìn)了細(xì)胞遷移。

 

3. 體內(nèi)治療效果

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖5（創(chuàng)面愈合）、圖6（組織分析）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

創(chuàng)面閉合率：HTON@Gel+VIS組14天達(dá)85%，接近正常對(duì)照組（圖5c）。

 

AGEs/RAGE下調(diào)：創(chuàng)面AGEs降低60%，RAGE表達(dá)減少70%（圖6c,d）。

 

研究意義：局部光催化顯著改善糖尿病傷口微環(huán)境，加速組織再生。

 

4. 生物安全性

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：（血清生化、器官病理）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

心肝腎功能指標(biāo)（ALT/AST/BUN）均正常，無(wú)全身毒性。

 

H&E染色顯示主要器官無(wú)病理?yè)p傷。

 

研究意義：HTON@Gel符合臨床轉(zhuǎn)化安全性要求。

 

五、結(jié)論

 

機(jī)制創(chuàng)新：

 

首創(chuàng) “以糖治糖”策略——利用傷口局部葡萄糖作為犧牲劑驅(qū)動(dòng)光催化，同步實(shí)現(xiàn) 耗糖降毒 和 產(chǎn)氫抗炎。

 

治療優(yōu)勢(shì)：

 

高效愈合：糖尿病創(chuàng)面愈合速度提升至正常水平。

 

精準(zhǔn)調(diào)控：VIS照射時(shí)間（15 min/次）控制反應(yīng)強(qiáng)度，避免過(guò)度治療。

 

臨床價(jià)值：HTON為FDA批準(zhǔn)二氧化鈦衍生物，水凝膠敷料易制備，具轉(zhuǎn)化潛力。

 

六、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

1. 測(cè)量方法與數(shù)據(jù)位置

 

技術(shù)原理：使用Unisense氫微電極（方法2.3節(jié)），通過(guò)電化學(xué)法實(shí)時(shí)檢測(cè)溶解氫濃度，精度達(dá)nM級(jí)。

 

檢測(cè)場(chǎng)景：

 

體外溶液：監(jiān)控光催化產(chǎn)氫動(dòng)力學(xué)（圖3e）。

 

創(chuàng)面組織：術(shù)中實(shí)時(shí)測(cè)量局部H?生成量（圖6b）。

 

2. 關(guān)鍵結(jié)果與機(jī)制關(guān)聯(lián)

 

結(jié)果：

 

可控產(chǎn)氫：VIS照射15分鐘，創(chuàng)面H?濃度達(dá)0.25 mM（圖6b）。

 

時(shí)間依賴性：產(chǎn)氫量與照射時(shí)長(zhǎng)正相關(guān)（r=0.98）。

 

機(jī)制關(guān)聯(lián)：

 

緩釋特性：電極數(shù)據(jù)證實(shí)H?持續(xù)釋放>60分鐘，支撐長(zhǎng)效抗炎假說(shuō)。

 

劑量效應(yīng)：0.1-0.3 mM H?為最佳抗炎濃度，電極確保治療窗精準(zhǔn)控制。

 

3. 研究意義

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

 

高時(shí)空分辨率：實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（秒級(jí)響應(yīng)），避免氣相色譜的采樣誤差。

 

無(wú)創(chuàng)原位檢測(cè)：微電極（ tip直徑<50 μm）直接插入創(chuàng)面，減少組織損傷。

 

機(jī)制驗(yàn)證價(jià)值：

 

直接關(guān)聯(lián) 光催化參數(shù)（光照強(qiáng)度/時(shí)長(zhǎng)）與 生物效應(yīng)（抗炎、促愈合），為臨床方案優(yōu)化提供依據(jù)。

 

排除氫氣泄漏干擾，確證局部H?生物利用率>90%。

 

領(lǐng)域貢獻(xiàn)：為氣體療法研究設(shè)立金標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法，推動(dòng)氫氣醫(yī)學(xué)的臨床轉(zhuǎn)化