同源高黏附中性粒细胞膜仿生Pd/hCeO2纳米酶靶向神经炎症并重编程小胶质细胞糖代谢以缓解老年围手术期神经认知障碍

《Advanced Science》：A Neutrophil Membrane-Encapsulated Pd/hCeO2 Nanoformulation for Alleviating Age-Dependent Perioperative Neurocognitive Disorders

　　

围手术期神经认知障碍（PND）是老年患者麻醉和手术后常见且致残性并发症，在老龄化社会中造成日益增长的临床负担。尽管其发病率高，但针对PND的有效疗法仍不可用。手术诱导的神经炎症以过度氧化应激、小胶质细胞激活和血脑屏障（BBB）破坏为特征，在PND发生中起核心作用。在此，研究人员开发了一种基于同源、高黏附中性粒细胞膜封装Pd/hCeO₂纳米颗粒的PCN仿生纳米酶平台，用于治疗年龄相关PND。得益于中性粒细胞膜的先天炎症靶向特性，PCN有效穿越受损BBB并精确积累于神经炎症区域。PCN表现出强效活性氧（ROS）清除活性，并显著减轻衰老大脑中的神经炎症，同时保持BBB完整性。具体而言，PCN通过抑制糖酵解途径和促进有氧呼吸，抑制小胶质细胞的促炎和代谢异常状态，从而保护突触功能并改善老年PND小鼠的认知表现。总体而言，本研究确定仿生纳米酶策略为减轻衰老大脑中术后认知下降或其他炎症损伤的有希望的治疗方法。

围手术期神经认知障碍（perioperative neurocognitive disorders, PND）是老年患者麻醉和手术后常见且致残性并发症，包括术后谵妄和长期认知功能障碍，对恢复、生活质量和长期预后具有重大影响。随着老龄化社会进展，PND临床负担不断增加，但有效疗法仍缺乏。手术诱导的神经炎症、氧化应激、小胶质细胞激活和血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）破坏被认为是PND核心病理机制。现有抗炎和抗氧化策略仅显示有限且不一致的益处，尚无疾病修饰疗法。纳米酶因活性氧（reactive oxygen species, ROS）清除和免疫调节能力受到关注；CeO₂基纳米酶具有Ce³⁺/Ce⁴⁺可逆循环和氧空位，Pd掺杂可增强类酶活性，但BBB穿透有限。中性粒细胞膜封装可赋予炎症靶向。因此，研究人员构建同源高黏附中性粒细胞膜封装Pd/hCeO₂纳米酶（PCN），用于老年PND。该研究发表在《Advanced Science》，提出仿生纳米酶策略治疗衰老大脑术后认知下降和炎症损伤。

关键技术方法：研究人员合成中空CeO₂（hCeO₂）纳米球，经温度调控还原沉积Pd纳米簇得Pd/hCeO₂；从脂多糖（LPS）刺激的8周龄C57BL/6小鼠骨髓分离高黏附中性粒细胞膜，挤出辅助组装包覆得PCN。采用18月龄雄性C57BL/6小鼠（Bikai-keyi Biotechnology Co., Ltd., Shanghai, China），胫骨骨折髓内固定建立PND模型，术后2和24 h尾静脉注射1 mg/kg。主要方法包括透射电子显微镜（TEM）、高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、动态光散射（DLS）、密度泛函理论（DFT）、电子自旋共振（ESR）、Seahorse细胞外通量分析、开放场测试（OFT）、莫里斯水迷宫（MWM）、新物体识别（NOR）、RNA测序、Western blot、免疫荧光和TUNEL。

2.1 PCN纳米系统的设计、表征及PND脑靶向递送：通过TEM、HAADF-STEM、元素映射、XRD、XPS和DLS表征，研究人员确认Pd纳米域嵌入hCeO₂壳形成异质界面，Pd掺入提高Ce³⁺/Ce⁴⁺比和氧空位。PCN表面呈膜状结构，Western blot显示β₂-integrin、CD11a、CD11b和CD44表达与炎症刺激中性粒细胞膜相似，高于非炎症刺激膜。体内荧光成像和离体脑成像显示PCN在老年PND小鼠脑和手术部位优先积累，持续超过24 h；PND小鼠VCAM-1和ICAM-1升高，为内皮黏附和炎症靶向提供分子基础。结论是PCN保留炎症识别和脑靶向能力。

2.2 纳米酶活性的DFT计算及PCN的ROS清除能力：DFT显示Pd向CeO₂转移电子（2.58 |e|），提高表面氧电子密度；Pd掺杂降低SOD样、CAT样和•OH消除路径能垒，增强•O₂^?吸附。ESR、UV-vis和DCFH-DA实验表明Pd/hCeO₂和PCN显著清除•OH、•O₂^?和H₂O₂，PCN活性与Pd/hCeO₂相当并优于hCeO₂，说明膜包覆保留催化活性；在HT22神经元和BV2小胶质细胞中降低ROS。

2.3 PCN缓解老年PND小鼠术后认知缺陷和突触功能障碍：在老年小鼠胫骨骨折固定模型中，PCN改善MWM逃逸潜伏期、目标象限时间和平台穿越，并提高NOR辨别指数，Pd/hCeO₂仅呈非显著趋势。PCN降低海马DHE荧光，恢复PSD95和SYN1，改善突触超微结构（突触后密度增厚、突触间隙变窄），减少TUNEL阳性神经元凋亡，部分恢复JC-1线粒体膜电位，并降低海马和血浆IL-1β、IL-6、TNF-α。结论是PCN保护突触、抑制凋亡和炎症，改善认知。

2.4 转录组分析揭示PCN介导的老年PND小鼠炎症和免疫网络调控：对海马组织进行bulk RNA测序，PCA显示PCN处理组接近对照；PND vs对照有553个差异表达基因，PCN vs PND有473个。GO和KEGG显示PCN下调免疫炎症和细胞死亡过程，上调调节和代谢功能，抑制TNF、JAK-STAT、Toll样受体、NOD样受体和IL-17信号，激活PI3K/Akt；GSEA显示凋亡、坏死性凋亡和先天免疫基因集富集降低。Western blot验证PCN降低pJAK2、pSTAT3和AKT磷酸化。结论是PCN重塑免疫炎症转录网络并抑制病理细胞死亡和炎症信号。

2.5 PCN调控小胶质细胞糖代谢重编程以限制促炎极化：免疫荧光显示PND海马CD16⁺/Iba1⁺和CD68⁺/Iba1⁺小胶质细胞增加，PCN抑制优于Pd/hCeO₂。海马糖酵解酶HK2、PFKM、PKM2和LDHA升高，PCN降低其表达。BV2细胞中LPS诱导CD86和糖酵解酶，PCN降低CD86并上调CD206。Seahorse分析显示PCN降低ECAR相关糖酵解参数，升高OCR相关基础呼吸、最大呼吸和ATP产生。结论是PCN逆转糖酵解依赖的促炎状态，恢复线粒体氧化代谢。

2.6 PCN保持BBB完整性并具优异生物相容性：免疫荧光和Western blot显示PND导致紧密连接蛋白ZO-1和occludin丢失，PCN恢复其表达，Pd/hCeO₂保护较弱。溶血实验、血常规、血清肝肾功能指标和H&E染色显示PCN具有良好血液相容性，无肝肾毒性，主要器官无结构异常。结论是PCN整合炎症靶向递送、神经血管保护和低免疫毒性，具有转化前景。

讨论部分指出，该仿生纳米酶策略靶向术后神经炎症相关的免疫代谢和神经血管机制。通过同源高黏附中性粒细胞膜包覆Pd/hCeO₂，PCN实现炎症引导脑递送，抑制过量ROS，重编程小胶质细胞免疫代谢，破坏小胶质细胞激活、BBB破坏和外周炎症浸润的前馈环路，保护突触、神经元和BBB，改善老年PND小鼠学习记忆，并具良好生物安全性和低免疫原性。结论部分翻译为：总之，本研究建立了一种仿生纳米酶策略，通过靶向术后神经炎症相互关联的免疫代谢和神经血管机制，有效对抗老年PND。通过用同源、高黏附中性粒细胞膜包覆Pd/hCeO₂纳米酶核心，PCN实现炎症引导的脑递送，使在术后神经血管损伤部位精确干预成为可能。在机制上，PCN抑制过量ROS，并通过将小胶质细胞免疫代谢重编程至更稳态状态，减轻糖酵解驱动的促炎小胶质细胞激活。这种代谢调节破坏了连接小胶质细胞激活、血脑屏障破坏和外周炎症浸润的致病性前馈环路，从而保护突触结构、神经元存活和BBB完整性。在功能层面，这些协同作用转化为老年PND小鼠学习和记忆的稳健改善。PCN表现出良好的生物安全性和全身耐受性，强调其作为生物安全且低免疫原性纳米治疗平台的转化前景。总之，研究人员的发现不仅提供了对PND免疫代谢基础的机制见解，还强调炎症靶向纳米酶疗法作为预防衰老大脑手术诱导认知下降的可行且广泛适用的方法。然而，应承认若干局限性。首先，尽管PCN的治疗效果在老年小鼠PND模型中得到证明，但仍需在更大动物模型和临床相关手术范式中进一步验证。其次，虽然小胶质细胞免疫代谢调节被确定为关键机制，但其他神经血管单元组分和上游调控通路的参与仍有待阐明。最后，从转化角度，PCN的长期生物分布、生物降解性和安全性需要全面研究以促进临床应用。