靶向NAD+/NADH氧化还原稳态的纳米酶水凝胶系统改善多器官衰老与缺血性心肌病治疗

《Research》：A NADH Oxidase Nanozyme Restores Redox Homeostasis to Ameliorate Multi-Organ Aging and Ischemic Cardiomyopathy

本研究针对心肌梗死（MI）后及衰老过程中NAD+耗竭、NADH积累导致的氧化还原失衡这一关键问题，开发了一种模拟细菌NADH氧化酶（NOX）活性的钒基纳米酶MXene-TA。该研究证实MXene-TA能有效催化NADH氧化再生NAD+，在衰老小鼠模型中恢复心、肝、脾等器官的NAD+/NADH稳态并减轻衰老标志物表达；在大鼠MI模型中，局部应用MXene-TA可重编程心肌能量代谢、减小梗死面积并改善心功能。进一步，研究人员将MXene-TA与脂肪源性干细胞（ADSC）共同封装于pH响应性导电水凝胶（PSTM）中，构建了多功能修复平台，显著延长了移植ADSC的存活时间并协同增强心脏修复效果。该研究发表于《Research》，为衰老相关疾病及缺血性心脏病的治疗提供了新型纳米酶-水凝胶联合策略，具有重要的理论与转化意义。

　　

心血管疾病，特别是心肌梗死（Myocardial Infarction, MI），是全球范围内导致死亡和残疾的主要原因之一。当心脏的血液供应被阻断，心肌细胞会因缺氧而大量死亡，进而引发一系列有害的心室重构，最终导致心力衰竭。尽管干细胞疗法，尤其是脂肪源性干细胞（Adipose-derived Stem Cells, ADSC）移植，为心肌修复带来了希望，但移植后的干细胞在梗死区域的恶劣微环境中难以存活和发挥功能，限制了其临床疗效。这个微环境的一个核心特征是严重的代谢紊乱，具体表现为氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide Adenine Dinucleotide, NAD⁺）的耗竭和其还原形式NADH的积累。这种NAD⁺/NADH的失衡会损害线粒体功能，加剧氧化应激，并加速细胞衰老。虽然补充NAD⁺的前体物质（如NMN, NR）是一种策略，但其存在生物利用度低、成本高以及可能引起NADH过载等局限性。因此，开发能够直接、高效地在梗死区域内调节NAD⁺/NADH代谢的新方法，对于同时保护心肌细胞和促进干细胞植入至关重要。

近年来，纳米酶技术的兴起为解决这一问题提供了新思路。已有超过30种模拟NADH氧化酶（NADH Oxidase, NOX）的纳米酶被报道，它们能在体外有效催化NADH氧化。然而，这些纳米酶在体内，特别是在器官水平衰老或缺血性心脏修复中的功效如何，尚不明确。此外，大多数现有纳米酶存在催化特异性有限、生物相容性不佳以及对梗死组织微环境缺乏响应性等问题。

为了应对这些挑战，研究人员将目光投向了MXene材料。MXene是一类具有大比表面积、高电导率和催化多样性的二维过渡金属碳/氮化物。本研究通过筛选，成功构建了一种基于钒的NOX模拟纳米酶（MXene-TA），它通过修饰钒基VOx-V₂C MXene与单宁酸（Tannic Acid, TA）来改善生物相容性。研究系统评估了MXene-TA在全身性抗衰老和心肌梗死修复中的潜力。在自然衰老的小鼠中，全身性给予MXene-TA能够恢复心、肝、脾等器官的NAD⁺/NADH稳态，并降低衰老标志物（如p16, p21, γH2AX）的表达。在大鼠MI模型中，将MXene-TA局部注射到梗死心肌边缘区，可以重编程能量代谢，激活NAD⁺依赖的通路，减轻心肌细胞的氧化损伤，减小梗死面积，并改善心脏功能。

为了进一步提升干细胞疗法的效果，研究人员设计了一种智能的递送系统——一种pH响应性的导电水凝胶。该水凝胶由聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）、氧化海藻酸钠（Oxidized Sodium Alginate, OSA）和硼酸酯键交联而成，能够模拟心肌的机械和电学特性。他们将MXene-TA和ADSC共同封装在这种名为PSTM的水凝胶中。当植入酸性的梗死微环境时，水凝胶能可控地释放MXene-TA，从而在局部创造一个有利的微环境。研究表明，这种PSTM/ADSC复合水凝胶能显著延长ADSC的存活时间（超过4周，而对照组仅为1周），并通过多种机制协同促进心脏修复，包括改善电传导、调节炎症反应和促进血管新生。

本研究综合运用了材料合成与表征、细胞生物学、动物模型构建、分子生物学检测以及生物材料工程等多种关键技术方法。研究队列包括自然衰老的C57BL/6小鼠和通过左前降支（Left Anterior Descending, LAD）结扎法构建的心肌梗死SD（Sprague-Dawley）大鼠模型。关键技术包括：通过水热法和酸蚀法制备并修饰MXene-TA纳米材料，利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等对其进行物理化学表征；通过WST-8法等体外检测其NOX模拟酶活性；构建pH响应性导电水凝胶（PSTM）并评估其机械性能、电导率和生物相容性；在细胞和动物水平通过酶标法、蛋白质印迹（Western Blot）、免疫荧光、代谢组学、超声心动图、组织染色（如Masson染色、H&E染色）、多通道电生理标测等技术系统评估MXene-TA及PSTM/ADSC水凝胶的抗衰老和心脏修复效果。

MXene-TA possesses well-characterized NOX activity

研究人员成功合成了六种过渡金属基MXene材料，其中VOx-V₂C表现出最高的NADH催化活性，2小时内转化率超过80%。为了降低钒离子的细胞毒性，他们用单宁酸对其进行修饰，得到MXene-TA。表征结果显示，MXene-TA具有层状结构、高比表面积，且钒主要以高氧化态（V⁵⁺）存在，这为其氧化能力奠定了基础。体外实验证实，MXene-TA能高效、特异性地将NADH转化为NAD⁺，且不产生有害的过氧化氢，是一种“产水型”NOX模拟纳米酶。理论计算进一步揭示了其低能垒的催化机制。

MXene-TA regulates NAD⁺/NADH balance to alleviate multi-organ aging

在24月龄的自然衰老小鼠中，连续6周腹腔注射MXene-TA，可显著提高心脏、肝脏和脾脏中的NAD⁺水平和NAD⁺/NADH比值，同时降低NADH含量和衰老相关标志物（p16, p21, γH2AX, SASP）的表达，表明MXene-TA具有多器官抗衰老作用，且对主要器官无显著组织损伤，安全性良好。这种器官特异性效应可能与不同器官的微环境、NAD⁺代谢途径及细胞类型敏感性差异有关。

MXene-TA nanozymes decreased oxidative damage in cardiomyocytes

在体外，MXene-TA处理能提高衰老心肌细胞和过氧化氢诱导氧化损伤的心肌细胞内的NAD⁺/NADH比值，减少衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）阳性细胞数量，上调连接蛋白43（Connexin 43, CX43）的表达，增强细胞活力，降低活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）水平，并稳定线粒体膜电位。这表明MXene-TA能通过恢复氧化还原平衡来减轻心肌细胞的氧化损伤和衰老。

MXene-TA reprograms energy metabolism in infarcted myocardium to promote cardiac repair

在大鼠MI模型中，梗死边缘区单次注射MXene-TA可显著提高大鼠的生存率，改善心脏功能（如 fractional shortening, FS%），减轻心脏肥大和肺充血，并减小梗死面积。代谢组学分析显示，MXene-TA处理提高了梗死心肌组织中的NAD⁺/NADH比值，并上调了NAD⁺、ATP、烟酰胺等代谢物水平。通路富集分析表明，氧化磷酸化、烟酸和烟酰胺代谢、长寿调控通路等关键代谢通路被激活，揭示了MXene-TA通过重编程能量代谢促进心肌修复的机制。

MXene-TA modulates the senescence of ADSCs by regulating the NAD⁺/NADH ratio

MXene-TA能被ADSC有效内化。在体外，MXene-TA处理可剂量依赖性地提高衰老ADSC内的NAD⁺/NADH比值和ATP产量，延缓端粒缩短，降低p16和p21的表达，减少SA-β-gal阳性细胞比例，并促进细胞增殖（EdU实验）。这表明MXene-TA能够改善ADSC的代谢状态，延缓其衰老进程，增强其活力。

Preparation and characterization of MXene-TA- and ADSC-loaded conductive hydrogels

研究人员成功制备了负载MXene-TA和ADSC的PSTM导电水凝胶。该水gel具有多孔微观结构，其孔径（约10 μm）适合干细胞附着和生长。水gel表现出pH响应性，在酸性条件下NADH氧化活性增强，利于在梗死区释放MXene-TA。其电导率（>5.0 × 10^?4 S/cm）和杨氏模量（可达40 kPa）均落在心肌组织的生理范围内，并具有良好的机械稳定性和自愈合能力。重要的是，在PSTM水凝胶上培养的心肌细胞表现出更强、更同步的钙瞬变，表明其能增强电传导。同时，PSTM水凝胶环境也能有效延缓 encapsulated ADSC的衰老。

PSTM hydrogel via CX43 to increase the expression and secretion of SDF-1 protein

机制探讨发现，MXene-TA通过提升NAD⁺水平，促进了NAD⁺与CX43蛋白的结合（表面等离子共振SPR证实其结合力强，解离常数K_D为14.2 pM）。这种结合增强了CX43的蛋白水平。CX43的上调进而激活了cAMP/PKA信号通路，导致转录因子SP1核转位，最终上调了基质细胞衍生因子-1（Stromal cell-derived factor-1, SDF-1）的表达和分泌，而其他测试的细胞因子分泌未受影响。SDF-1是一种重要的趋化因子，有助于干细胞归巢和组织修复。

PSTM/ADSC hydrogel promoted mesenchymal stem cell survival and MI repair

在体实验表明，植入PSTM/ADSC水凝胶4周后，梗死心肌组织的NAD⁺/NADH比值仍维持在较高水平。与仅负载ADSC的PST水凝胶相比，PSTM/ADSC水凝胶能显著延长移植ADSC的存活时间（超过4周），并促进SDF-1的持续分泌。心脏超声和组织学分析证实，PSTM/ADSC水凝胶治疗能最有效地改善心脏功能，减小纤维化面积，并减轻炎症细胞浸润。

PSTM/ADSC hydrogels regulated cardiac electrical conduction, inflammation, and neovascularization after MI

进一步的功能评估显示，PSTM/ADSC水凝胶能显著加快梗死区域的心外膜电传导速度，增加局部电位幅度，并促进CX43蛋白在梗死区的表达，表明其有效改善了电整合。同时，该治疗还抑制了心肌细胞肥大，促进了巨噬细胞向修复性M2表型极化（提高M2/M1比值），并显著增加了梗死区的微血管和小动脉密度，从而在电生理、炎症调节和血管新生等多方面协同促进心脏修复。

本研究开发了一种新型的NOX模拟纳米酶MXene-TA，并将其与ADSC共同整合于智能导电水凝胶中，构建了一个多功能心脏修复平台。该研究的主要结论和意义在于：首先，MXene-TA被证实能直接、高效地催化NADH氧化再生NAD⁺，为调节细胞内氧化还原稳态提供了一种催化策略，优于传统的NAD⁺前体补充方法。其次，MXene-TA在全身性和局部应用中都展现出良好的生物安全性和治疗潜力，不仅能够缓解多器官衰老，还能有效促进缺血心肌的修复。更重要的是，所构建的PSTM/ADSC水凝胶系统巧妙地解决了干细胞移植面临的存活率低和功能整合差两大难题。该系统通过MXene-TA调节代谢微环境，并通过水凝胶提供物理支撑和电传导，实现了对梗死心肌的“代谢重编程”和“电生理整合”双重修复。该研究将纳米酶技术与生物材料工程相结合，为治疗心肌梗死等缺血性疾病以及延缓组织衰老提供了全新的、具有广阔转化前景的策略，标志着氧化还原调控疗法和心脏组织工程领域的一个重要进展。