手性MoS2基纳米酶共递送吲哚-3-丙酸协同抑制铁死亡并重编程代谢以促进周围神经再生

《Journal of Advanced Research》：Chiral MoS2-based nanozymes co-delivering indole-3-propionic acid synergistically inhibit ferroptosis and reprogram metabolism for enhanced peripheral nerve regeneration

　　

摘要引言：周围神经损伤（PNI）每年影响超过一百万人，导致严重功能缺陷和巨大社会经济负担。PNI后的强烈氧化应激破坏线粒体能量代谢，驱动过量活性氧（ROS）产生，并触发施万细胞铁死亡，共同构成神经再生的主要障碍。目标：本研究旨在开发一种仿生手性纳米酶系统，靶向氧化应激-线粒体功能障碍-铁死亡轴，以增强PNI后的神经再生。方法：研究人员构建了三种手性MoS₂纳米酶（D, L和RCMS）并评估了其抗氧化活性。具有优越超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）样活性的L-对映体CMS被嵌入聚己内酯（PCL）中，并负载吲哚-3-丙酸（IPA），形成缓释系统（PCL@LCMS+IPA）。通过多组学分析阐明治疗机制。体外评估了对施万细胞线粒体功能和铁死亡的影响，同时在PNI模型中评估了体内疗效。结果：PCL@LCMS+IPA选择性调节线粒体三羧酸（TCA）循环，同时抑制脂质过氧化和铁死亡相关信号通路。体外，该系统增强了线粒体呼吸链功能，提高了ATP和NADPH产量，恢复了铁稳态，并强化了谷胱甘肽过氧化物酶系统，从而抑制铁死亡性死亡并支持施万细胞介导的修复。体内，PCL@LCMS+IPA在氧化应激下维持了线粒体代谢稳定性，导致轴突再生、血管生成、髓鞘再生和运动功能恢复的改善。结论：该缓释手性纳米酶系统有效靶向氧化应激-铁死亡轴，恢复线粒体能量代谢并防止施万细胞铁死亡，从而促进功能性神经再生。

**研究背景与问题**
周围神经损伤（PNI）每年影响全球超过100万人，导致感觉运动功能障碍、神经病理性疼痛和肌肉萎缩，造成严重社会经济负担。现有治疗如神经松解、神经吻合和自体神经移植面临供体短缺、轴突错位、尺寸不匹配和免疫排斥等局限。神经引导导管虽能提供机械和生化支持，但难以复制内源性神经内膜细胞外基质的动态微环境。PNI后的氧化应激破坏了线粒体能量代谢，导致三羧酸（TCA）循环障碍、ATP和NADPH耗竭、线粒体膜电位丧失，进而诱发铁死亡。同时，活性氧直接失活谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4），形成氧化应激-铁死亡恶性循环。现有抗氧化策略如吲哚-3-丙酸（IPA）虽具有低免疫原性和自由基清除能力，但口服给药靶向性差、稳定性低、局部生物利用度有限。因此，亟需开发能同时缓解氧化应激、恢复线粒体生物能学并抑制铁死亡的新型治疗系统。

**研究内容与意义**
研究人员开发了一种仿生手性纳米酶系统，将L-对映体手性MoS₂纳米酶（LCMS）嵌入聚己内酯（PCL）导管，并负载IPA，形成缓释系统PCL@LCMS+IPA。该系统通过靶向氧化应激-线粒体功能障碍-铁死亡轴，协同促进周围神经再生。体外实验显示，PCL@LCMS+IPA增强施万细胞线粒体呼吸链功能，提高ATP和NADPH产量，恢复铁稳态并强化GPX4系统，从而抑制铁死亡。体内大鼠坐骨神经损伤模型证实，该导管促进轴突再生、血管生成、髓鞘再生和运动功能恢复，效果接近自体神经移植。该研究发表于《Journal of Advanced Research》，为PNI治疗提供了具有临床转化潜力的新策略。

**主要关键技术方法**
研究人员通过手性分子诱导配位自组装法合成了D、L和RCMS三种手性MoS₂纳米酶。采用分散电纺丝技术将LCMS和IPA共嵌入PCL基质，制备PCL@LCMS+IPA复合导管。使用大鼠原代施万细胞和人脐静脉内皮细胞（HUVEC）进行体外实验。体内实验使用35只雄性Sprague-Dawley大鼠（8周龄），建立10 mm坐骨神经缺损模型，随机分为7组（n=5/组）。采用转录组学（RNA-seq）和代谢组学（UHPLC-MS）多组学分析揭示机制。通过透射电镜（TEM）、荧光染色、Western blot、Seahorse细胞能量代谢分析等技术评估线粒体功能和铁死亡。

**研究结果**
- **Synthesis and characterization of chiral MoS₂**：扫描电镜（SEM）显示LCMS、DCMS和RCMS呈花状层状结构，直径100-200 nm。圆二色（CD）光谱证实LCMS和DCMS具有镜像手性信号，RCMS无手性信号。透射电镜（TEM）表明施万细胞对LCMS的摄取量高于D型和R型。
- **IPA loading and release**：CCK-8和活死染色确定100 μg/mL IPA为最佳工作浓度。免疫荧光显示该浓度显著增强GFAP、Ki67和MBP表达。ROS实验表明IPA与LCMS协同清除ROS。
- **Fabrication and characterization of PCL@CMS and PCL@CMS+IPA**：SEM显示导管具有均匀多孔纤维网络，CMS纳米颗粒均匀嵌入。FTIR和XRD证实CMS和IPA成功负载。DRCD确认手性特征保留。IPA在pH 7.4、37°C下可持续释放超过168 h。水接触角测定显示PCL@LCMS+IPA亲水性最佳。ABTS和DPPH自由基清除实验表明手性修饰显著增强抗氧化活性，IPA进一步协同提高。
- **In vitro biocompatibility of chiral NGCs**：CCK-8和活死染色显示PCL@LCMS+IPA组施万细胞和HUVEC活力最高，无细胞毒性。EdU和划痕实验表明该组显著促进细胞增殖和迁移。
- **PCL@LCMS+IPA Exhibits superior pro-angiogenic activity in vitro**：管形成实验显示PCL@LCMS+IPA增强HUVEC成管能力。免疫荧光显示CD31和VEGF表达升高。
- **In vivo implantation of chiral NGCs in rats to evaluate biocompatibility**：术后12周主要器官HE染色未见明显毒性，表明良好生物安全性。
- **PCL@LCMS+IPA conduits promote sciatic nerve regeneration in rats**：步态分析、坐骨神经功能指数（SFI）、肌电图（CMAP和NCV）显示PCL@LCMS+IPA组运动功能恢复接近自体移植组。von Frey和热板实验显示感觉恢复良好。
- **PCL@LCMS+IPA conduits attenuate gastrocnemius muscle atrophy after sciatic nerve injury**：双侧腓肠肌重量比、HE和Masson染色显示PCL@LCMS+IPA组肌肉萎缩程度显著减轻，肌纤维横截面积增大。
- **PCL@LCMS+IPA conduits enhance histological regeneration of the injured sciatic nerve**：HE和甲苯胺蓝（TB）染色显示再生神经纤维排列整齐、髓鞘丰富。免疫荧光显示S100β和NF200表达显著升高。TEM显示髓鞘厚度和轴突直径增加。
- **PCL@LCMS+IPA modulate local inflammatory responses after sciatic nerve injury**：免疫荧光和流式细胞术表明PCL@LCMS+IPA促进M2型巨噬细胞极化，抑制M1型，降低IL-6、TNF-α和IL-1β水平。
- **PCL@LCMS+IPA promote local angiogenesis after sciatic nerve injury**：免疫荧光和RT-PCR显示VEGF、CD31和α-SMA表达显著升高，促进新生血管形成。
- **Multi-omics analysis identifies mechanisms through which PCL@LCMS+IPA enhances axonal regeneration**：转录组学鉴定出1707个差异表达基因，GO和KEGG富集显示与轴突再生、铁死亡和TCA循环相关。GSEA表明氧化磷酸化和TCA循环上调，氧化应激和铁死亡下调。代谢组学显示TCA循环中间代谢物（如α-酮戊二酸、异柠檬酸、苹果酸）显著升高。整合分析显示TCA循环和铁死亡途径的交互作用。
- **PCL@LCMS+IPA promotes mitochondrial metabolic reprogramming in vitro**：TEM、MitoTracker、TOMM20和JC-1染色显示PCL@LCMS+IPA减轻线粒体碎片化，恢复线粒体膜电位。TCA关键酶活性（柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体）增强。NADPH/NADP⁺和GSH/GSSG比值恢复。Seahorse分析显示基础呼吸、ATP耦合呼吸和最大呼吸能力提高。DCFH-DA、MitoSOX、C11-BODIPY染色及MDA、SOD、CAT测定表明ROS和脂质过氧化降低。
- **PCL@LCMS+IPA alleviates ferroptosis in vitro through mitochondrial metabolic reprogramming**：铁含量测定和FeRhoNox-1染色显示总铁和Fe²⁺降低。免疫荧光显示铁转运蛋白（FPN）表达恢复。Western blot显示GPX4和SLC7A11蛋白水平升高，HMOX1表达增加。C11-BODIPY和MDA、SOD、CAT测定证实脂质过氧化抑制。EdU和MBP染色显示施万细胞增殖和髓鞘形成能力增强。使用TCA抑制剂丙二酸可逆转上述效应，证实TCA循环的关键作用。
- **PCL@LCMS+IPA conduits promote mitochondrial repair and suppress ferroptosis after sciatic nerve injury**：体内TEM显示PCL@LCMS+IPA组线粒体形态改善。TOMM20免疫荧光增强，GPX4表达升高，4-HNE沉积减少，FPN表达增强，表明线粒体修复和铁死亡抑制。

**讨论与结论**
讨论部分指出，PCL@LCMS+IPA通过手性选择增强施万细胞摄取，利用LCMS的SOD/CAT模拟活性清除ROS，同时IPA的缓释维持抗氧化效果。多组学分析揭示TCA循环的激活是抑制铁死亡的关键机制：TCA循环增强提供NADPH和ATP，维持GPX4/GSH系统活性，减少脂质过氧化。手性L型材料因与天然细胞膜手性匹配而具有更高生物相容性和细胞摄取效率。该研究首次将手性纳米酶与IPA联合用于周围神经再生，为临床转化提供了新思路。
**结论**：研究人员制备并评估了CMS功能化的PCL神经导管并负载IPA。除优越的生物相容性外，该构建体因MoS₂的对映选择性工程而表现出显著增强的纳米酶模拟酶性能，使其最佳适应PNI后高氧化应激微环境。在筛选的手性纳米材料中，LCMS对细胞增殖影响最强，其与IPA的协同作用引发了最强烈的神经保护和ROS缓解反应。整合多组学分析进一步表明，PCL@LCMS+IPA通过调节TCA循环调控施万细胞铁死亡，从而发挥其神经保护和再生功能。重要的是，在体外系统证明了手性选择性在关键“TCA循环调节→铁死亡减轻”轴中起关键作用，这些发现在大鼠坐骨神经损伤模型中得到有力验证。该研究为PCL@LCMS+IPA作为极具前景的导管系统提供了坚实的机制和实验证据，并为其未来临床转化和应用奠定了坚实基础。