一种用于种植体周围炎治疗的pH可切换铈单原子酶通过JAK-STAT信号轴介导的巨噬细胞重编程

《Advanced Science》：A pH-Switchable Cerium Single-Atom Enzyme for Peri-Implantitis Therapy via JAK-STAT Signaling Axis-Mediated Macrophage Reprogramming

　　

开发用于治疗种植体周围炎（PI）的高性能、环境适应性模拟酶催化剂具有重要意义，但仍极具挑战性。在此，研究人员报道了一种在硼、氮共掺杂碳纳米管（B, N co-doped carbon nanotubes）上负载的高性能铈单原子酶（SAzyme），记为Ce-BNC。得益于其独特的N/O配位电子环境和可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环，Ce-BNC表现出固有的pH可切换催化功能：酸性条件有利于过氧化物酶（POD）样活性，用于活化过氧化氢（H₂O₂）并产生活性氧（ROS）介导的抗菌效应；而相对中性条件则促进超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）样酶促级联反应，用于ROS转化和氧气生成。通过这种pH可切换的催化转变，Ce-BNC能够在氧化性抗菌活性和抗氧化性微环境调节之间进行动态切换。机制上，这种pH可切换的酶促接力在热力学上受降低的吉布斯自由能垒控制。这种抗氧化效应进一步破坏M1巨噬细胞/IL-6-JAK/STAT信号轴，从而重塑炎症微环境。该工作提供了一个具有可编程双峰活性的微环境适应性催化平台，为炎症性疾病的智能化和分阶段治疗提供了一种有前景的范式。

种植体周围炎（PI）是牙种植体常见的并发症，以生物膜相关的炎症和进行性骨吸收为特征。当前临床干预主要依赖机械清创和局部抗生素，但由于植入物表面复杂性和抗菌耐药性上升，效果欠佳。PI的病理进展具有显著时间异质性：早期以细菌定植和生物膜形成为主，形成酸性微环境；随后病原体入侵触发宿主免疫激活，伴随ROS爆发性生成，而周围组织维持近中性pH。这一内在pH梯度为设计智能响应性治疗平台提供了内源性线索。然而，能同时应对感染和炎症双重致病驱动因素的智能响应材料仍面临挑战。纳米酶虽具有潜力，但传统纳米酶催化选择性差，POD-like和CAT-like活性共存，在复杂PI微环境中相互竞争，无法按需执行所需治疗序列。单原子酶（SAzyme，具有孤立金属原子活性位点的纳米酶）凭借原子级精确配位环境，实现了高催化选择性和最大原子利用率，为精准多模式治疗提供了新途径。研究人员基于此，开发了铈基单原子酶（Ce-BNC），利用其pH可切换的酶促接力机制，实现从抗菌到抗炎的阶段特异性治疗。该研究通过系统物理化学表征、密度泛函理论（DFT）计算和体内外实验，证实了Ce-BNC在酸性条件下优先表现过氧化物酶（POD）样活性，产生杀菌ROS；在中性条件下转向超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）样级联活性，清除ROS并缓解氧化应激。抗氧化作用进一步破坏M1巨噬细胞/IL-6-JAK/STAT信号轴，重塑免疫微环境，在PI小鼠模型中有效抑制骨吸收并促进组织修复。这一工作为炎症性疾病的智能分期治疗提供了新范式，论文发表在《Advanced Science》。

**主要关键技术方法**：研究人员采用溶剂热法合成Ce-BNC。通过扫描电子显微镜（SEM）、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）和X射线吸收光谱（XAS）等表征原子分散和配位结构。利用DFT计算吉布斯自由能垒和电子结构分析pH可切换催化机制。体外实验包括酶活性测定（POD、SOD、CAT）、抗菌和生物膜清除实验（金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、牙龈卟啉单胞菌）、细胞内ROS检测及活/死染色。体内实验采用C57BL/6小鼠皮肤感染模型和PI模型，通过微计算机断层扫描（micro-CT）、组织学染色（H&E、Masson、TRAP）、免疫荧光（IF）和转录组测序（RNA-seq）进行评价，并结合qPCR、ELISA、Western blot和流式细胞术验证分子机制。

**研究结果**：

**2.1 Ce-BNC SAzyme的合成与结构特性**：通过溶剂热法成功合成Ce-BNC，HAADF-STEM和EDS元素映射证实了Ce单原子的均匀分散，Ce负载量4 wt.%。XPS和XANES显示Ce主要为+3价态，EXAFS拟合得出CeN₄O₁配位结构，DFT计算确认该模型具有最低形成能。

**2.2 酶模拟催化性能**：Ce-BNC在酸性条件下（pH 3.8）表现出最高POD-like活性，催化H₂O₂生成·OH和·O₂^?，且活性优于BNC和CeO₂-BNC。在中性条件下，SOD-like和CAT-like活性显著增强，能有效清除·O₂^?并分解H₂O₂生成O₂。pH依赖的催化活性呈现明确的分叉：酸性促氧化，中性抗氧化。

**2.3 pH可切换Ce-BNC的酶促接力催化机制**：DFT计算表明，POD-like反应的速控步（RDS）在酸性条件下吉布斯自由能垒仅为0.49 eV，远低于中性条件；而CAT-like的O₂脱附步在中性条件下更有利（0.84 vs 0.94 eV）。差别电荷密度和PDOS分析显示，酸性条件下Ce与·OH中间体电子耦合更强，促进H₂O₂活化；中性条件下与O₂的适度杂化有利于O₂生成，从而实现pH可切换的催化选择性。

**2.4 Ce-BNC的生物安全性与抗氧化性能**：
**2.4.1 体外生物相容性与细胞内ROS清除**：Ce-BNC在浓度高达70 μg mL^?1时对L929和RAW264.7细胞无细胞毒性，活/死染色和溶血实验证实安全性。Bio-TEM显示Ce-BNC通过内吞进入细胞质。在LPS诱导的RAW264.7氧化应激模型中，Ce-BNC显著降低细胞内ROS水平，DCFH-DA流式分析显示ROS阳性细胞比例从27.80%降至7.79%，优于BNC。
**2.4.2 体内微环境生物相容性与组织病理学评价**：小鼠皮肤感染模型中，Ce-BNC处理组皮肤组织炎症细胞浸润显著减少，胶原沉积有序（Masson染色阳性面积28%），而感染组出现大量炎性细胞和坏死。主要器官H&E染色未见异常，28天后Ce含量可忽略，表明无长期滞留。

**2.5 Ce-BNC SAzyme的抗菌性能与生物膜清除**：
**2.5.1 广谱抗菌活性与生物膜清除**：在pH 3.8条件下，Ce-BNC+H₂O₂对牙龈卟啉单胞菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率接近99%，CFU降低约5个数量级。在pH 6.5下仍保持约80%活性。通过失活Ce位点对照和上清液对照实验，证实抗菌效应主要依赖Ce单原子催化而非物理吸附。
**2.5.2 氧化损伤与膜破坏机制**：DCFH-DA染色和流式细胞术显示Ce-BNC+H₂O₂显著增加细菌内ROS水平，活/死染色和TEM观察到细胞膜严重破裂、内容物泄漏。机制包括静电吸附、POD-like产生ROS破坏磷脂双分子层和EPS，以及CAT-like产O₂破坏厌氧菌生存环境。

**2.6 Ce-BNC SAzyme通过抑制M1巨噬细胞极化靶向JAK-STAT信号轴治疗PI**：
**2.6.1 体内抗菌与抗炎性能**：在C57BL/6小鼠PI模型中，Ce-BNC局部给药后，临床照片显示牙龈红肿消退，CFU计数证实病原菌负荷显著降低。ROS荧光成像显示ROS信号随时间递减（第3天至第14天）。micro-CT分析表明Ce-BNC显著提高骨体积分数（BV/TV）和骨小梁厚度（Tb.Th），减少边缘骨丢失（近中、远中、颊侧、腭侧）。H&E、Masson和TRAP染色显示Ce-BNC组炎症细胞浸润减少、胶原沉积增加，破骨细胞（TRAP+）数量显著低于PI组（0.01 vs 0.2，p<0.0001）。
**2.6.2 健康与PI小鼠模型转录组分析**：RNA-seq显示PI组与健康组基因表达谱显著分离，差异表达基因（DEGs）富集于Th17分化、JAK-STAT信号通路等。GSEA证实JAK-STAT和Th17信号集富集，PI组IL-6、IL-1β、TNF等促炎因子和JAK1、STAT3表达上调，氧化应激相关基因（Egln1、Gadd45a等）也发生变化。
**2.6.3 Ce-BNC SAzyme通过抑制M1巨噬细胞极化靶向JAK-STAT信号轴治疗PI**：基于DFT和酶学表征，Ce-BNC利用pH可切换的酶促接力适应PI微环境，实现阶段依赖的抗菌和抗氧化调节。
**2.6.4 巨噬细胞表型重编程的分子验证**：流式细胞术显示Ce-BNC减少M1（CD86+）并增加M2（CD206+）比例。qPCR证实Ce-BNC下调M1标志物（IL-6、IL-1β、iNOS）并上调M2标志物（Arg-1、TGF-β、IL-10）。ELISA显示Ce-BNC降低促炎因子（TNF-α、IL-1β、IL-6）并恢复抗炎因子（IL-10、IL-4）。
**2.6.5 阻断IL-6/JAK-STAT信号轴**：Western blot显示Ce-BNC降低CD86、JAK1、STAT3并增加CD206，与STAT3抑制剂Stattic效果相似。qPCR进一步证实Ce-BNC和Stattic对巨噬细胞极化的调控重叠。免疫荧光染色（IF）在体内显示Ce-BNC降低CD86、IL-6、TNF-α、JAK1、STAT3荧光强度，并增加CD206，证实通过ROS/IL-6/JAK1/STAT3轴调控极化。

**总结讨论与结论**：讨论部分指出，Ce-BNC通过pH可切换的酶促接力，实现了从酸性条件下的促氧化抗菌到中性条件下的抗氧化抗炎的双模式转换，克服了传统纳米酶催化选择性不足的问题。其抗氧化作用通过抑制M1巨噬细胞极化，阻断IL-6/JAK-STAT炎症反馈回路，重塑免疫微环境。研究结论（翻译）：“总之，研究人员开发了一种具有内在pH可切换酶促接力活性的Ce-BNC单原子纳米酶，用于适应性PI治疗。与传统催化谱相对固定的纳米酶不同，Ce-BNC中原子分散的Ce位点因其局部N/O配位环境和可逆Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环而表现出pH可切换的催化行为。Ce中心的配位调控电子结构使其在不同pH条件下能够实现不同的底物活化途径。这种pH可切换的催化选择性使Ce-BNC能够在单个纳米酶平台内整合抗菌和抗炎功能，从而打破PI中细菌感染、氧化应激和免疫失调的恶性循环。通过缓解过量ROS积累，Ce-BNC减弱了M1巨噬细胞相关的IL-6/JAK/STAT炎症反馈回路，同时CAT-like产氧有助于缓解缺氧，最终促进组织修复。”