Photocatalytic glucose depletion and hydrogen generation for diabetic wound healing

光催化葡萄糖耗竭和產氫用于糖尿病傷口愈合

來源：Nature Communications | (2022) 13:5684

 

一、摘要概述

 

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

 

核心創新：通過可見光（VIS）驅動的光催化反應，利用傷口局部葡萄糖作為犧牲劑，同步實現 葡萄糖消耗 和 氫氣生成。

 

雙重機制：

 

葡萄糖消耗降低晚期糖基化終末產物（AGEs）合成，減輕糖毒性。

 

原位產氫抑制AGE受體（RAGE）表達，緩解炎癥并促進細胞遷移。

 

治療效果：在STZ誘導的糖尿病小鼠模型中，創面愈合速度接近正常水平（14天愈合率達85%），且無系統性毒性。

 

二、研究目的

 

解決糖尿病足潰瘍（DFU）難愈合的核心問題：

 

臨床瓶頸：傳統氫水浸泡療法需長期浸泡，阻礙結痂形成，且無法改變高糖微環境。

 

科學挑戰：高糖微環境（>20 mM）誘導AGEs積累，引發慢性炎癥和細胞凋亡。

 

研究目標：開發局部、可控的葡萄糖消耗與產氫協同策略，靶向AGEs-RAGE通路。

 

三、研究思路

 

材料設計：

 

合成摻氫二氧化鈦納米棒（HTON），通過氫摻雜調整能帶結構（HOMO: 1.31 V，LUMO: -0.56 V），使其響應可見光（圖2-3）。

 

 

 

負載于溫敏性殼聚糖/透明質酸水凝膠（HTON@Gel），便于傷口敷料應用（透光率85%）。

 

機制驗證：

 

體外：在高糖培養的皮膚細胞（HaCaT, HSF, HMEC-1）中，驗證光催化抗凋亡、促遷移效應（圖4）。

 

 

 

體內：在STZ誘導的糖尿病小鼠模型中，評估創面愈合、AGEs/RAGE表達及組織再生（圖5-6）。

 

 

 

光催化過程：

 

VIS照射（400-700 nm，0.05 W/cm2）觸發反應：

 

葡萄糖+H2OHTON, VIS

 

葡萄糖酸+H2

 

四、測量的數據及其研究意義

1. 材料表征與光催化性能

 

數據來源：圖2（TEM/XPS）、圖3（UV-Vis/能帶結構）。

 

關鍵結果：

 

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

 

產氫速率：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. 體外細胞效應

 

數據來源：圖4（AGEs/RAGE檢測、細胞功能）。

 

關鍵結果：

 

AGEs下降50%：光催化耗糖抑制AGEs生成（圖4c）。

 

細胞遷移提升3倍：HTON+VIS組劃痕愈合速度最快（圖4g）。

 

研究意義：證實雙重機制協同作用——耗糖阻斷了糖毒性，產氫促進了細胞遷移。

 

3. 體內治療效果

 

數據來源：圖5（創面愈合）、圖6（組織分析）。

 

關鍵結果：

 

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

 

AGEs/RAGE下調：創面AGEs降低60%，RAGE表達減少70%（圖6c,d）。

 

研究意義：局部光催化顯著改善糖尿病傷口微環境，加速組織再生。

 

4. 生物安全性

 

數據來源：（血清生化、器官病理）。

 

關鍵結果：

 

心肝腎功能指標（ALT/AST/BUN）均正常，無全身毒性。

 

H&E染色顯示主要器官無病理損傷。

 

研究意義：HTON@Gel符合臨床轉化安全性要求。

 

五、結論

 

機制創新：

 

首創 “以糖治糖”策略——利用傷口局部葡萄糖作為犧牲劑驅動光催化，同步實現 耗糖降毒 和 產氫抗炎。

 

治療優勢：

 

高效愈合：糖尿病創面愈合速度提升至正常水平。

 

精準調控：VIS照射時間（15 min/次）控制反應強度，避免過度治療。

 

臨床價值：HTON為FDA批準二氧化鈦衍生物，水凝膠敷料易制備，具轉化潛力。

 

六、丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

1. 測量方法與數據位置

 

技術原理：使用Unisense氫微電極（方法2.3節），通過電化學法實時檢測溶解氫濃度，精度達nM級。

 

檢測場景：

 

體外溶液：監控光催化產氫動力學（圖3e）。

 

創面組織：術中實時測量局部H?生成量（圖6b）。

 

2. 關鍵結果與機制關聯

 

結果：

 

可控產氫：VIS照射15分鐘，創面H?濃度達0.25 mM（圖6b）。

 

時間依賴性：產氫量與照射時長正相關（r=0.98）。

 

機制關聯：

 

緩釋特性：電極數據證實H?持續釋放>60分鐘，支撐長效抗炎假說。

 

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

 

3. 研究意義

 

技術優勢：

 

高時空分辨率：實時動態監測（秒級響應），避免氣相色譜的采樣誤差。

 

無創原位檢測：微電極（ tip直徑<50 μm）直接插入創面，減少組織損傷。

 

機制驗證價值：

 

直接關聯 光催化參數（光照強度/時長）與 生物效應（抗炎、促愈合），為臨床方案優化提供依據。

 

排除氫氣泄漏干擾，確證局部H?生物利用率>90%。

 

領域貢獻：為氣體療法研究設立金標準檢測方法，推動氫氣醫學的臨床轉化