ZnO@MOFs纳米酶功能化水凝胶通过调控ROS微环境促进脊髓损伤修复的研究

本研究针对脊髓损伤(SCI)后氧化应激和神经元凋亡等关键病理问题，开发了一种近红外(NIR)响应的ZnO-ZIF8@H纳米酶功能化水凝胶系统。通过体外和体内实验证实，该系统在NIR照射下可精准释放Zn2+，有效清除活性氧(ROS)，抑制铁死亡(ferroptosis)和细胞凋亡，显著改善线粒体功能，并促进神经再生和运动功能恢复。该研究为脊髓损伤治疗提供了新型光响应抗氧化治疗策略，具有重要的临床转化价值。

　　

脊髓损伤是一种毁灭性的中枢神经系统创伤，患者常面临永久性功能障碍和生活质量严重下降的困境。目前临床缺乏有效治疗手段，主要原因在于其复杂的继发性损伤机制，包括炎症反应、氧化应激、细胞凋亡和血肿形成等，这些过程主要由线粒体功能障碍驱动。其中，氧化应激导致的活性氧(ROS)过量积累，以及铁死亡（一种铁依赖性的程序性细胞死亡方式）和神经元凋亡，是阻碍神经再生和功能恢复的关键因素。

针对这一难题，研究人员将目光投向新兴的光热纳米技术领域。金属有机框架(MOFs)材料因其高比表面积、可控载药能力和优异的光热转换效率，在生物医学应用中展现出巨大潜力。特别是锌基MOFs材料（如ZIF-8），能够在生理环境中以可控方式释放Zn²⁺，这些锌离子在细胞信号传导、抗氧化应激和线粒体保护方面发挥着关键作用。然而，如何在体内实现锌离子的精准可控释放，并将其功能与脊髓损伤的特殊病理微环境相结合，仍然是一个重大挑战。

为此，Jiaxin Ding、Binbin Gao、Zelin Sang、Zhen Dai、Zhenhua Chen和Xifan Mei等研究人员在《Regenerative Biomaterials》上发表了一项创新性研究。他们成功构建了一种近红外(NIR)响应的ZnO@MOFs纳米酶功能化水凝胶系统（ZnO-ZIF8@H），通过将ZnO修饰的ZIF-8纳米酶（ZnO-ZIF8）与聚乙烯醇(PVA)-海藻酸钠(Alg)可注射水凝胶相结合，实现了对脊髓损伤微环境的精准调控。

研究采用的主要技术方法包括：材料合成与表征（通过SEM、TEM、DLS、FTIR、UV-vis和XRD等技术对纳米材料和水凝胶进行系统表征）、光热性能测试（评估材料在808 nm NIR照射下的升温行为和光热转换效率）、锌离子释放检测（利用zincon显色反应和UV-vis光谱分析Zn²⁺释放动力学）、体外细胞实验（使用PC12细胞系评估材料生物安全性、ROS清除能力、线粒体功能和相关蛋白表达）以及体内动物实验（建立C57BL/6J小鼠脊髓挫伤模型，通过BMS评分、足迹测试、组织染色和免疫荧光分析等功能学和组织学评估）。

表征分析证实材料成功制备并具备理想性能

通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察证实，成功合成了平均尺寸约200 nm的菱形十二面体ZIF-8，并在其表面均匀负载了ZnO纳米颗粒。动态光散射(DLS)显示ZnO-ZIF8的水合粒径为265 nm。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分析证明了ZnO-ZIF8@H的成功制备及其晶体结构的完整性。材料在808 nm NIR照射下表现出优异的光热性能，最高温度可达42.4°C，光热转换效率为46.62%。锌离子释放实验表明，NIR照射能够显著加速Zn²⁺的释放，为实现精准治疗提供了基础。

材料展现良好生物相容性和抗氧化效果

通过Calcein AM/PI活死染色和CCK-8实验证实，ZnO-ZIF8@H具有良好的生物相容性，对PC12细胞无显著毒性。在H₂O₂诱导的氧化应激模型中，ZnO-ZIF8@H+NIR处理能够显著降低细胞内ROS水平，改善线粒体膜电位(ΔψM)，并促进ATP生成，表明其有效保护了线粒体功能。

系统有效抑制铁死亡和细胞凋亡

免疫荧光染色显示，ZnO-ZIF8@H+NIR处理显著上调了铁死亡关键抑制因子GPX4（谷胱甘肽过氧化物酶4）和HO-1（血红素氧合酶1）的表达。同时，该处理降低了脂质过氧化产物MDA（丙二醛）水平，提高了抗氧化酶SOD（超氧化物歧化酶）活性和GSH（谷胱甘肽）含量。TUNEL染色和Cleaved-Caspase3免疫荧光分析进一步证实，ZnO-ZIF8@H+NIR能够显著减少神经元凋亡。

促进神经再生和功能恢复

体外实验中，ZnO-ZIF8@H+NIR处理促进了PC12细胞的轴突生长。在脊髓损伤小鼠模型中，该处理显著促进了神经丝蛋白(NF)标记的神经元再生，抑制了胶质纤维酸性蛋白(GFAP)标记的胶质瘢痕形成。H&E和尼氏染色显示，治疗组损伤区域组织结构更完整，神经元存活数量更多。BMS评分和足迹测试结果表明，ZnO-ZIF8@H+NIR处理显著改善了小鼠的后肢运动功能和运动协调性。

具备良好的生物安全性

通过对主要器官（心、肝、脾、肺、肾）的H&E染色评估，证实ZnO-ZIF8@H在体内具有良好的生物相容性，未引起明显的组织毒性或炎症反应。

该研究通过构建新型NIR响应的ZnO-ZIF8@H纳米酶功能化水凝胶系统，成功实现了对脊髓损伤微环境的精准调控。研究结果表明，该系统在NIR照射下能够可控释放Zn²⁺，有效清除ROS，抑制铁死亡和细胞凋亡，改善线粒体功能，并最终促进神经再生和运动功能恢复。这项工作不仅为脊髓损伤治疗提供了一种新型的光响应抗氧化治疗策略，而且为设计功能性纳米酶-水凝胶复合系统提供了重要思路和技术参考，具有显著的临床转化潜力和应用价值。