电子注入型Pd@CeO2纳米酶通过多途径清除ROS缓解皮瓣缺血再灌注损伤

《Journal of Nanobiotechnology》：Electron-injected Pd@CeO2 nanozymes for multifaceted ROS scavenging and protection against ischemia-reperfusion injury in skin flaps

本研究针对皮肤皮瓣移植中缺血再灌注(I/R)损伤导致的组织坏死难题，开发了具有核壳结构的Pd@CeO2纳米酶。该纳米酶通过Pd-CeO2界面电子注入机制显著增强超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性，有效清除活性氧(ROS)，抑制细胞凋亡和炎症反应，并促进血管生成。动物实验证实其能显著提高皮瓣存活率，为移植医学提供了新策略。

　　

在重建外科领域，皮肤皮瓣移植是修复创伤、肿瘤切除和先天性畸形所致组织缺损的关键技术。然而，缺血再灌注损伤仍是制约手术成功的主要障碍，常导致皮瓣部分或完全坏死。当血液供应恢复时，大量活性氧爆发性产生，引发氧化应激、炎症级联反应、内皮功能障碍、细胞凋亡和微血管损伤等一系列病理过程，严重威胁组织存活。

目前临床采用的缺血预处理、高压氧疗法和系统性抗氧化剂等干预措施，因严格的时机要求、生物利用度低、降解快以及靶向性差等问题，保护效果有限且不稳定。纳米酶技术的出现为这一难题提供了新思路。与传统抗氧化剂和天然酶相比，纳米酶具有成本低、稳定性高、易于合成等优势。在各类纳米酶中，氧化铈纳米颗粒虽具备SOD样活性，但在严重氧化应激下催化效率有限。

针对这一瓶颈，上海交通大学医学院附属第六人民医院李玉华团队开发了一种新型核壳结构Pd@CeO₂纳米酶。该设计通过将钯纳米团簇限制在氧化铈基质中，利用界面电子注入机制显著提升催化性能。研究表明，这种电子转移能够维持CeO₂处于高度活性的还原状态，从而协同增强CAT样和SOD样活性。

研究人员通过多步法合成均匀的Pd@CeO₂纳米酶，采用透射电子显微镜确认核壳结构，X射线光电子能谱分析验证电子注入现象。体外实验证明该纳米酶能高效清除羟基自由基、超氧阴离子和过氧化氢，并通过密度泛函理论计算阐明其催化机制。

细胞实验显示，Pd@CeO₂能有效被HUVEC和RAW 264.7细胞摄取，在浓度≤50μg/mL时表现出良好生物相容性。在过氧化氢诱导的氧化应激模型中，该纳米酶显著提高细胞存活率，降低细胞内ROS水平，减少细胞凋亡。

分子机制研究表明，Pd@CeO₂通过调节Bax/Bcl-2/caspase-3信号通路抑制细胞凋亡。Western blot结果显示，纳米酶处理组Bcl-2表达上调，Bax和cleaved Caspase-3表达下降。在炎症调控方面，该材料通过下调NF-κB通路和上调PPAR-γ通路发挥抗炎作用，显著降低TNF-α、IL-1β和IL-6等炎性因子水平。

尤为重要的是，Pd@CeO₂在氧化应激环境下能恢复血管生成能力。qPCR和Western blot证实该纳米酶显著上调VEGFA表达，划痕实验和管形成实验表明其促进内皮细胞迁移和血管网络形成。

在大鼠皮瓣缺血再灌注模型中，Pd@CeO₂治疗组皮瓣存活率高达85.42%，显著优于对照组。组织学分析显示治疗组表皮结构完整，毛囊保存良好，胶原沉积正常。CD31免疫组化染色证实纳米酶促进新生血管形成，CD68染色显示巨噬细胞浸润减少，TUNEL检测表明细胞凋亡显著下降。

转录组分析进一步从分子层面验证了Pd@CeO₂的保护机制。差异基因表达分析显示，纳米酶处理显著调节炎症反应、免疫应答等相关生物过程，KEGG富集分析提示TNF、Chemokine和PPAR等信号通路被特异性调控。

该研究通过巧妙的材料设计，将贵金属的催化特性与金属氧化物的生物相容性相结合，创建了一种具有多重酶活性的纳米酶系统。Pd@CeO₂不仅能有效清除ROS，还能通过多通路协同作用缓解氧化应激、抑制细胞凋亡、调控炎症反应并促进血管再生，为缺血再灌注损伤的防治提供了新思路。

安全性评价显示，该纳米酶溶血率低，对主要血液指标和肝肾功能无影响，器官组织学检查未见病理改变，具备良好的生物相容性。这项工作不仅为皮瓣移植的临床挑战提供了创新解决方案，也为纳米酶在再生医学领域的应用开辟了新途径，对组织工程和移植医学具有重要意义。

该研究成果发表于《Journal of Nanobiotechnology》，展示了纳米生物技术在解决临床难题方面的巨大潜力，为开发针对其他缺血性疾病的纳米疗法奠定了坚实基础。