综述：锰基纳米酶动态调控成骨微环境

《Drug Resistance Updates》：Manganese-based nanozymes for the dynamic regulation of the osteogenic microenvironment

本综述系统阐述了锰基纳米酶（MBNs）通过模拟超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等多酶活性，动态调控活性氧（ROS）、重塑免疫微环境、协同促进神经血管生成、发挥抗菌作用并调控成骨细胞命运的机制，及其在感染性骨缺损、骨肉瘤、骨质疏松和牙周炎等疾病中的应用前景与临床转化挑战。

　　

引言

骨缺损会导致功能丧失、活动受限、肢体畸形和慢性疼痛，严重影响患者的生活质量。传统的骨修复材料往往侧重于刺激干细胞活性和促进成骨，而忽略了动态调控骨缺损微环境的必要性。近年来，纳米酶材料，特别是锰基纳米酶（MBNs），因其结合了纳米材料特性、锰特异性生物学功能以及多酶模拟活性，在动态调控成骨微环境方面展现出革命性潜力。锰（Mn）作为一种多价过渡金属，不仅是成骨相关酶（如碱性磷酸酶）的必需辅助因子，还通过其生物学作用参与氧化还原调节、抗氧化防御、成骨和血管生成。MBNs凭借其可逆的混合价态表面和氧空位引入的配位不饱和位点，能够模拟多种天然酶的活性，为复杂病理条件下的骨再生提供了新的策略。

制备策略、功能设计和催化原理

MBNs的物理化学性质（如尺寸、形貌、组成、氧化态和表面特性）及其表现出的各种酶活性，高度依赖于其设计和合成方法。常见的MBNs包括MnO₂、Mn₃O₄、Mn₂O₃、MnO以及锰单原子纳米酶（Mn-SAzymes）。主要的制备方法有水热/溶剂热法、溶胶-凝胶法和化学沉淀法。对于Mn-SAzymes，其制备策略主要包括MOF热解法、缺陷工程锚定法、配体/自组装辅助固定法和室温金属交换法。

功能设计策略旨在优化MBNs的性能。多元素共掺杂可以优化电子结构，调节表面价态和氧空位，产生协同效应。载体复合策略将MBNs与多孔、导电或仿生载体整合，以抑制颗粒聚集、增强分散性和比表面积，并引入成像、载药等多模态功能。表面修饰和功能化则能有效增强生物识别和主动靶向性，赋予刺激响应性和可降解性。

MBNs的酶模拟类型主要包括锰超氧化物歧化酶（MnSOD）、锰过氧化氢酶（MnCAT）、锰过氧化物酶（MnPOD）、锰氧化酶（MnOXD）和锰谷胱甘肽过氧化物酶（MnGPx）。其催化功能涉及清除ROS、缓解缺氧、抗菌、调节细胞氧化还原稳态等，这些功能共同为营造有利的成骨微环境奠定了基础。

MBN介导成骨的机制基础

动态ROS调节

活性氧（ROS）在体内表现出显著的浓度依赖性。MBNs具有多种酶模拟活性，其催化选择性受微环境调控，从而能够实现对ROS的双向调节。在健康或修复性的抗炎环境中，MBNs倾向于发挥SOD和CAT样活性，清除过量的ROS，维持氧化还原稳态。而在感染灶或肿瘤微环境等H₂O₂富集且呈弱酸性的条件下，MBNs则优先表现出POD、OXD和GPx样活性，催化产生大量ROS，发挥抗菌和抗肿瘤作用。

免疫微环境重塑

骨再生不仅依赖于成骨细胞和破骨细胞的合作，也深受免疫微环境调节的影响。MBNs通过抑制炎症信号通路、下调促炎因子表达、促进巨噬细胞从促炎的M1表型向抗炎的M2表型极化，为成骨细胞迁移、粘附和分化创造有利的免疫环境。单细胞分辨率的研究显示，MBNs可能通过氧化还原-代谢-先天免疫感知三联体重塑巨噬细胞的极化轨迹。

协同促进神经血管化

神经血管重塑在骨再生过程中至关重要。MBNs凭借其催化活性、锰离子响应性释放以及对神经和血管信号通路的调控潜力，在促进神经血管化方面展现出独特优势。在血管生成阶段，MBNs可激活血管内皮细胞中的PI3K/Akt/eNOS轴，增强其迁移、成管和毛细血管出芽能力。在神经再生阶段，MBNs通过清除ROS、抑制炎症级联反应和促进巨噬细胞M2极化，减轻继发性神经损伤，促进轴突再生。

抗菌活性与感染控制

骨感染是临床面临的主要挑战。MBNs通过其酶模拟活性和锰离子响应性释放在抗菌治疗和感染控制方面潜力巨大。一方面，MBNs通过模拟POD、CAT等酶活性，催化H₂O₂转化为羟基自由基（·OH）、超氧阴离子（O₂·^-）等活性氧，对细菌细胞膜、DNA和蛋白质造成氧化损伤。另一方面，在感染导致的酸性环境中优先释放的锰离子可诱导细菌膜去极化，发挥抑菌/杀菌作用。

调控成骨细胞命运

精确引导成骨细胞谱系定向是增强骨再生的核心策略。MBNs通过其多酶模拟能力，在调节成骨细胞分化、增殖和凋亡方面显示出强大潜力。MBNs可快速调节成骨细胞内ROS水平，缓解氧化损伤和缺氧带来的联合应激，从而促进分化和增殖，抑制凋亡。锰离子还能增加整合素亲和力，放大由外向内信号传导。此外，MnO₂纳米酶的CAT样活性可原位释放氧气，缓解缺血/缺氧的骨微环境。

MBNs通过激活NF-κB、p38 MAPK、PI3K-Akt、TGF-β/Smad、SIRT1-FOXO3-BNIP3和ERK/HIF-1α/GLUT1等多个关键信号通路，在调控成骨微环境中发挥核心作用。

MBNs在调控成骨微环境中的应用

临界尺寸骨缺损

临界尺寸骨缺损（CSBDs）自我愈合能力有限，并常伴有复杂的病理微环境紊乱。MBNs凭借其ROS调节、骨诱导特性、促进神经血管生成、抗菌和免疫调节功能，已被证明可以构建更有利于骨再生的微环境。例如，将骨形态发生蛋白-2（BMP-2）肽缀合的蜂窝状MnO₂纳米酶（BHM）纳入复合水凝胶（CG）中构建的多功能水凝胶（BHM@CG），能够动态调节CSBDs的局部成骨微环境。

感染性骨缺损

感染性骨缺损（IBDs）比普通骨缺损更具挑战性，其特征包括广泛的骨丢失、持续性细菌感染、免疫失调等。MBNs能够实现对成骨微环境的整合调控，达成抗菌-抗炎-神经血管再生-成骨一体化的策略。例如，具有OXD、CAT和POD样活性的Mn/HSAE@BCP支架，结合声动力疗法（SDT）和化学动力疗法（CDT），能产生可控水平的ROS以根除细菌，有效促进兔感染性股骨缺损的修复再生。

骨肉瘤骨缺损

骨肉瘤是一种高度恶性的原发性骨肿瘤，严重破坏正常骨结构并损害成骨微环境。MBNs对肿瘤微环境具有优异的响应性。在酸性且富集过氧化氢的肿瘤部位，MBNs可通过多种酶样活性催化产生ROS，诱导骨肉瘤细胞凋亡或坏死。在清除肿瘤细胞后，MBNs能有效恢复成骨微环境。例如，(MnO₂/Fc)@PLGA平台通过增强类芬顿反应进行化学动力治疗（CDT），同时释放氧气缓解局部缺氧，促进组织再生。

骨质疏松性骨缺损

骨质疏松是一种以骨量减少、骨微结构恶化为特征的代谢性骨病。MBNs通过其在免疫微环境调节、动态ROS调控和成骨细胞命运控制方面的能力，为骨质疏松微环境内的复杂病理挑战提供了有效的解决方案。例如，MnO₂@Pol/HA水凝胶可保护BMSCs免受ROS诱导的细胞活力抑制，并促进巨噬细胞向M2表型极化。

牙周炎骨缺损

牙周炎是由牙周病原体感染引发的慢性炎症性疾病，其病理进展涉及微生物入侵、免疫失调、持续性氧化应激和成骨抑制的复杂相互作用。MBNs通过其抗炎、抗氧化、抗菌、促血管生成和骨诱导特性，可以调节牙周微环境，实现病因控制和组织再生。例如，近红外IIb响应系统（DMUP）可清除ROS并激活Akt/mTOR通路，驱动巨噬细胞从促炎表型向抗炎表型转变，从而促进牙周组织修复再生。

MBNs在糖尿病骨缺损、骨关节炎和类风湿性关节炎等其他氧化应激相关疾病的治疗中也展现出潜力。

面临的挑战与展望

尽管MBNs在调控成骨微环境方面具有多方面优势和巨大潜力，但其临床转化仍面临多重障碍。首先，MBNs的设计、合成和活性评估缺乏标准化。其次，骨缺损微环境复杂且具有时空动态性，单一组分的MBNs往往难以实现精确的适应性调控。第三，大多数研究仍停留在细胞或组织水平，缺乏将分子网络调控与骨组织修复联系起来的多尺度系统级分析。第四，化学多样性MBNs的体内降解产物、长期代谢途径和潜在毒性尚未得到系统评估。

针对这些瓶颈，未来研究可致力于通过智能算法辅助设计、构建多模态智能纳米平台、整合多组学技术以及开展长期大动物安全性评价等策略，推动MBNs成为骨修复领域广泛应用的功能性材料。

结论

锰基纳米酶（MBNs）凭借其多酶模拟活性、固有的锰相关特性以及高度可工程化的结构，在调控骨微环境方面具有广阔的应用前景。本综述系统总结了MBNs在成骨微环境调控中的应用进展，包括其合成方法、功能设计策略、催化机制、调控功能及应用场景。尽管该领域研究尚处于早期阶段并面临诸多挑战，但通过程序化的结构设计、精准的机制阐明以及与转化应用的深度融合，MBNs有望成为骨修复领域一类重要的生物材料。