空心普鲁士蓝纳米酶实现高效光热碎石并保护肾脏免受氧化应激损伤

《Materials Today Bio》：Harnessing hollow Prussian blue nanozymes for efficient photothermal lithotripsy while protecting the kidneys from oxidative stress injury

本研究针对肾结石高发病率与复发率、高功率激光碎石易致肾组织损伤、现有抗氧化药物疗效有限等问题，开展了基于空心普鲁士蓝纳米酶（HPB）的新型治疗策略研究。结果表明，HPB在低功率808 nm近红外激光下能高效碎石，同时通过模拟多种抗氧化酶活性清除活性氧，减轻氧化应激，保护肾小管上皮细胞，下调结石黏附相关蛋白表达，最终抑制晶体沉积。该研究为肾结石治疗提供了兼具碎石与肾脏保护双重功能的创新纳米平台，具有重要的临床转化潜力。

　　

肾脏，这个默默无闻的人体“净化工厂”，时常会受到一种常见疾病的困扰——肾结石。这种疾病在全球范围内发病率不断攀升，在中国更是影响着近1/17的人口，其中约半数患者在5-10年内会面临复发的风险。肾结石不仅可能引发尿路感染、腰痛、肾功能下降等严重并发症，其高复发率也意味着患者可能需要反复接受外科手术干预，给个人、家庭和社会带来沉重的身心痛苦与经济负担。

目前，钬激光碎石术是治疗肾结石的主要外科手段之一。然而，高功率的激光设置会产生显著的热效应，在解剖空间有限、灌注不充分或手术时间过长的情况下，可能意外损伤肾盂或肾盏黏膜，导致术中出血等风险。另一方面，氧化应激损伤被认为是结石形成的主要病理因素。当草酸钙晶体粘附在肾小管上皮细胞表面并被细胞内化后，会引发细胞内活性氧（ROS）水平急剧升高，打破氧化还原平衡，导致炎症、细胞损伤甚至凋亡。而受损的肾小管上皮细胞又会进一步加剧晶体的聚集和粘附，形成一个恶性循环。尽管医学取得了显著进步，但现有的抗氧化治疗仍存在局限性：天然抗氧化酶不稳定，易被消化，且需要在严格的环境条件下合成。因此，开发一种能够同时实现高效碎石并有效保护肾脏免受氧化应激损伤的新策略，成为了泌尿外科领域亟待解决的关键科学问题。

针对这一挑战，来自广州医科大学附属第一医院泌尿外科的研究团队在《Materials Today Bio》上发表了一项创新性研究，他们巧妙设计并合成了一种多功能纳米材料——空心普鲁士蓝纳米酶（Hollow Prussian Blue nanozymes, HPB），旨在打破上述恶性循环，为肾结石的治疗提供全新的解决方案。

为了验证HPB的双重功能，研究人员综合运用了多种关键技术方法。他们通过盐酸蚀刻法成功制备了HPB，并利用透射电子显微镜、能量色散X光谱、X射线光电子光谱等技术对其形貌、元素组成和化学状态进行了系统表征。研究通过体外溶解氧测定、超氧化物歧化酶活性检测试剂盒和DPPH自由基清除实验评估了HPB的模拟酶活性。利用808 nm近红外激光器和热成像仪，研究人员详细评估了HPB的光热效应、稳定性及转换效率。体外碎石实验使用临床获取的人草酸钙结石样本，并在猪肾模型中验证了碎石过程的安全性。细胞实验采用人肾近曲小管上皮细胞系（HK-2），通过草酸建模，利用CCK-8法、活性氧荧光探针、钙黄绿素AM/PI染色等方法评估了HPB的细胞保护作用。此外，研究还建立了乙醛酸盐诱导的小鼠肾草酸钙晶体动物模型，通过组织病理学染色（HE染色）、免疫组织化学、普鲁士蓝铁染色以及小动物活体成像等技术，深入探究了HPB在体内的分布、安全性及其对肾脏保护作用和晶体沉积抑制的效果。

HPB的制备、表征及酶活性

研究人员首先优化了合成条件，成功制备出单分散、平均直径约100 nm、具有空心立方结构的HPB纳米颗粒。表征结果证实了HPB的成功合成，其在水溶液中显示出约700 nm处的特征吸收峰，这为其光热效应奠定了基础。一系列体外实验证明，HPB能够模拟过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性，并有效清除DPPH自由基，且这些活性均呈现浓度依赖性。溶血实验表明，在测试浓度范围内HPB无溶血现象，具有良好的生物相容性。

光热效应与碎石

光热性能评估显示，HPB在808 nm激光照射下能有效地将光能转化为热能，且升温幅度呈浓度依赖性。HPB表现出优异的光热稳定性，经过多次激光开关循环后其光热性能保持稳定，其光热转换效率经计算为21.4%。关键的体外碎石实验表明，经HPB预处理的人草酸钙结石在低功率近红外激光非接触照射下能够有效碎裂，而未经处理的结石则无明显变化。热成像显示，HPB处理组的结石表面温度在激光照射下迅速显著升高，远高于单纯激光照射组，这证明了HPB通过其光热效应极大地增强了碎石效率。

猪肾模型碎石及安全性验证

在离体猪肾模型中模拟体内碎石场景，进一步证实了HPB结合激光碎石的有效性。激光照射后，HPB预处理过的结石温度迅速上升。更为重要的是，对碎石部位肾组织的病理学检查显示，其肾小球和肾小管结构完整，未见明显病理损伤，这表明HPB辅助的激光碎石术对周围肾组织是安全的。

HPB通过减轻氧化应激保护HK-2细胞

细胞毒性实验表明，在一定浓度范围内HPB对HK-2细胞无毒性。在草酸诱导的细胞损伤模型中，HPB干预能显著提高受损细胞的活力，改善细胞形态，减少细胞空泡化和草酸钙晶体在细胞周围的聚集。通过荧光探针检测发现，HPB能有效清除草酸刺激下细胞内过量产生的ROS。钙黄绿素AM/PI双染结果进一步证实，HPB能减少草酸诱导的细胞死亡，对肾小管上皮细胞具有明确的保护作用。

HPB在动物模型中的生物相容性评价

通过乙醛酸盐诱导的小鼠肾结石模型，研究人员评估了HPB的体内安全性。主要脏器（心、肝、脾、肺）的HE染色切片未发现明显病理变化。普鲁士蓝铁染色和小动物活体成像显示，HPB能通过血液循环到达肾脏并随后被代谢，未观察到蓄积毒性，证明了其良好的体内生物相容性。

肾脏保护作用

对模型小鼠肾组织的分析显示，乙醛酸盐建模导致了明显的肾损伤，包括炎性细胞浸润、肾小管扩张等。而HPB干预能显著减轻这些病理改变。免疫组化分析表明，建模组小鼠肾组织内抗氧化酶CAT和SOD的表达水平显著降低，肾损伤标志物Kim-1的表达升高。HPB干预，尤其是高剂量组，能有效上调CAT和SOD的表达，下调Kim-1的表达，从而增强肾脏的抗氧化防御能力，保护肾功能。

通过下调黏附分子减少晶体沉积

在模型组小鼠肾脏中观察到大量的草酸钙晶体沉积。HPB治疗能显著减少晶体数量和覆盖面积。机制研究表明，HPB能下调肾脏中与晶体黏附密切相关的分子，如骨桥蛋白（OPN）和细胞黏附分子CD44的表达。这提示HPB通过减轻氧化应激损伤，进而减少黏附分子的表达，从而抑制晶体的聚集和沉积，打破了结石形成的恶性循环。

综上所述，这项研究成功开发了一种集高效光热碎石和强大肾脏保护功能于一体的空心普鲁士蓝纳米酶（HPB）。HPB不仅能够通过其优异的光热特性在低功率近红外激光下实现非接触式高效碎石，避免了传统激光碎石可能带来的组织热损伤风险；更重要的是，它通过模拟多种抗氧化酶的活性，有效清除ROS，减轻氧化应激，保护肾小管上皮细胞，并通过下调晶体黏附相关分子表达来抑制结石的复发。该研究为解决肾结石治疗中面临的“碎石”与“护肾”难以兼顾的难题提供了一个极具前景的纳米技术平台，不仅为新型碎石技术的发展提供了实验理论基础，也为肾脏保护和晶体沉积的预防开辟了新的视角，标志着纳米材料在泌尿系统疾病治疗应用方面迈出了重要一步。