急性肝衰竭（ALF）的特点是肝细胞功能迅速恶化，导致危及生命的肝功能障碍。[1] 肝细胞移植作为一种治疗ALF的方法，通过提供即时的肝功能支持并促进肝脏再生而显示出巨大前景。[2] 然而，由于供体肝细胞的供应有限且质量不佳，肝细胞移植疗法的临床应用受到限制。[3] 可移植的肝细胞通常来自供体肝脏，[4]而这些肝脏通常优先用于整体器官移植。因此，非移植肝脏成为细胞治疗的主要来源，[5] 但来自这些来源的细胞产量和质量往往不足以满足广泛临床需求。[5] 从干细胞诱导得到的类肝细胞（iHLCs）为ALF治疗提供了另一种有前景的细胞来源。[6],[7],[8] 然而，如何高效且特异性地引导干细胞分化为功能性类肝细胞仍然是一个挑战。此外，受损肝脏组织中过量的活性氧（ROS）会损害移植细胞的存活和功能，进一步限制了ALF的治疗效果。[9],[10],[11],[12],[13]
为了解决这些问题，人们一直在体外努力诱导干细胞（如诱导多能干细胞（iPSCs）和间充质干细胞（MSCs）向肝细胞方向分化。[14,15] 例如，通过在培养基中依次添加生长因子混合物（包括表皮生长因子、碱性成纤维细胞生长因子、肝细胞生长因子等），已被证明可以有效诱导MSCs分化为类肝细胞。[16,17] 然而，这种多步骤协议复杂且成本较高，限制了其在临床应用中的实用性。另一种策略是使用微RNA（miRNA），这是一类获得2024年诺贝尔生理学或医学奖的小型非编码RNA。这些分子在转录后基因调控中起关键作用，显著影响细胞分化、增殖和存活。[18],[19],[20] 特别是，研究表明，在MSCs中过表达微RNA-122（miR122）可以通过miR122/叉头框A1（FOXA1）/肝细胞核因子4α（HNF4α）正反馈环路促进肝细胞分化和成熟。[21],[22],[23] 尽管miR122具有巨大潜力，但在miRNA递送方面仍存在挑战，包括细胞摄取效率低、核酸易降解以及干细胞转染效率低等问题。[24] 因此，迫切需要开发新的高效策略来引导干细胞向肝细胞方向分化。
功能性生物材料因其固有的物理化学性质和可修饰的表面而成为干细胞工程的理想候选材料。[25],[26],[27],[28] 既往研究证实，某些功能性纳米材料可以有效促进干细胞的骨骼和神经分化。[29],[30],[31] 然而，功能性材料在引导干细胞向肝细胞分化方面的应用尚未得到充分探索。在这些材料中，具有催化ROS调节活性的纳米酶显示出影响干细胞命运的潜力。[32,33] 但目前的研究主要集中在纳米酶在组织微环境中清除过量ROS的作用上，从而间接保护干细胞在分化过程中的安全。[34] 很少有研究直接探讨纳米酶如何通过调节细胞内ROS平衡来主动引导干细胞分化。[35] 值得注意的是，细胞内ROS现在被认为是重要的信号分子，大多数研究小组认为，虽然过量ROS可能有害，但适量的ROS对于维持细胞功能（如增殖、分化和存活）是必要的。在分化过程中，细胞会经历代谢变化，不断调整氧化磷酸化并激活线粒体生物发生以产生ATP以满足能量需求。[36] 随着细胞内线粒体ATP水平的增加，ROS也会作为不可避免的副产物产生。[37] 新的证据表明，线粒体ROS不仅影响分化过程，还有助于指导细胞命运的确定。[37] 因此，利用纳米酶的催化ROS调节活性有助于在细胞分化过程中维持细胞内氧化还原平衡，可能有助于保护线粒体功能并调节干细胞命运。[37] 然而，关于直接使用纳米酶在干细胞分化过程中调节细胞内氧化还原状态的研究仍处于初级阶段。
二氧化铈纳米颗粒是一种研究较为深入的纳米酶，具有催化ROS清除活性，并表现出优异的生物相容性和生物活性。[38],[39] 通过表面修饰，二氧化铈纳米颗粒已被证明能够递送生物分子（如miRNA）。[40],[41],[42],[43],[44],[45] 因此，将miR122与二氧化铈纳米颗粒结合使用是一种有前景的方法，可以引导MSCs分化为肝细胞：二氧化铈纳米颗粒有助于高效递送miR122，从而推动肝细胞方向的分化；同时，它们的抗氧化催化活性可以调节细胞内ROS平衡，并在能量密集的分化过程中保护线粒体的完整性和功能。此外，除了体外分化外，移植后的细胞还必须能够在受损肝脏组织的高炎症和氧化环境中存活。受到近期细胞表面工程在细胞治疗领域进展的启发，我们进一步提出用基于二氧化铈的金属-酚类网络包覆iHLCs，以在体内起到保护作用。这种保护层可以减轻受损组织的恶劣微环境，提高细胞移植后的存活率和植入效果，最终改善ALF的治疗效果。[46]
在这项研究中，我们首次引入了负载微RNA的二氧化铈纳米颗粒（二氧化铈纳米颗粒@微RNA）作为双重功能调控剂，以引导干细胞命运并探索生物活性纳米材料对细胞行为的影响。我们合成了带正电荷的二氧化铈纳米颗粒，并将其与miR122结合，从而能够高效地将miR122递送到人脂肪源性间充质干细胞（hADMSCs）中，诱导其在体外的肝细胞分化（图1a）。在分化过程中，RCN-miRNA不仅传递了miR122这一遗传信号，还通过增强线粒体生物发生和维持细胞内的氧化还原平衡来促进分化过程（图1b）。机制研究表明，二氧化铈纳米颗粒抑制了Wnt/β-连环蛋白通路效应因子7类似物2（TCF7L2），这与PGC-1α的上调及线粒体生物发生的增强有关。分化后，将得到的iHLCs用单宁酸-二氧化铈（TA-Ce）金属-酚类框架进行包覆，得到具有保护性的薄层二氧化铈涂层，以抵抗氧化和炎症损伤（图1b）。然后，将这些工程化的细胞应用于四氯化碳（CCl4）诱导的ALF小鼠模型中（图1c）。MP-iHLCs疗法能有效缓解氧化应激和炎症，减少组织坏死，并促进CCl4诱导的ALF小鼠的细胞增殖。MP-iHLCs的移植有效减轻了体内的氧化应激和炎症，减少了肝坏死和凋亡，并促进了肝脏再生，而未包覆的iHLCs或未经处理的hADMSCs的效果则不显著。总体而言，这项工作为基于干细胞的肝脏治疗建立了一种新的方法，并为生物活性纳米材料如何调控干细胞分化和微环境重塑提供了新的见解。这种双重功能的纳米酶策略提供了一种概念上创新的方法，对基础干细胞生物学和肝脏疾病的转化治疗具有重大意义。
