一种线粒体炎症导向的纳米酶协调双重炎症轴以恢复牙周炎中的牙槽骨稳态

《Biomaterials》：A mitochondrial inflammation-oriented nanozyme coordinates dual inflammatory axes to restore alveolar bone homeostasis in periodontitis

　　

摘要
线粒体炎症应激是牙周炎牙槽骨丢失的重要病理因素，然而能够有效调控其起始及相关信号网络的策略仍然有限。在此，通过将在 NRF2 激动剂 DMC 原位整合到 CeO2@ZIF-8 框架中，合理设计了一种基于线粒体炎症导向的纳米酶 CeO2-DMC@ZIF-8。该平台结合了催化活性氧（ROS）清除与 pH 响应性药物释放，能够综合调控线粒体应激相关的炎症通路。在炎症刺激下，CeO2-DMC@ZIF-8 显著减轻线粒体 ROS 积累，恢复线粒体膜电位，并缓解内质网 - 线粒体偶联异常。机制上，该纳米酶调控 cGAS-STING 和 NLRP3 两条关键炎症通路，从而抑制炎症放大并恢复细胞器稳态。代谢组学分析进一步揭示，脂质介体重塑有助于减轻线粒体炎症信号。功能上，这些效应协同促进了炎症条件下骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化。在结扎诱导的牙周炎模型中，CeO2-DMC@ZIF-8 有效降低了氧化应激，抑制破骨细胞活性，改善了小梁结构，并增强了牙周组织再生。综上所述，本研究确立了一种基于纳米酶的调控线粒体炎症应激策略，为恢复牙周炎中的骨稳态提供了一条有前景的途径。

引言
牙周炎是一种常见的牙周支持组织慢性炎症，估计影响全球 40%-62% 的人口，并仍是成年人牙齿脱落的主要原因，具有重大的公共卫生意义 [1], [2]。其进展是由细菌菌斑堆积、龈下菌群失调以及宿主炎症反应失调之间的复杂相互作用驱动的，最终导致牙周组织进行性破坏和牙槽骨丢失 [3], [4]。活性氧（ROS）现在被认为是疾病发生和发展的重要贡献者 [5]。在发炎的牙周微环境中，ROS 的产生超过了内源性抗氧化防御，导致牙周结构氧化损伤、牙周细胞细胞毒性、免疫稳态破坏以及增强的破骨细胞生成，进而驱动牙槽骨吸收并损害修复 [5], [6]。线粒体构成细胞内 ROS 的主要来源 [7]。线粒体来源的 ROS 瞬时爆发，称为线粒体活性氧（mtROS），可启动“ROS 诱导的 ROS 释放”，这是一种加剧氧化还原应激和线粒体损伤的正反馈循环。这种 mtROS 积累与线粒体功能障碍密切相关，包括线粒体膜电位受损、线粒体形态改变以及线粒体通透性增加。由此产生的线粒体功能障碍进一步放大炎症，形成组织破坏的自我维持循环 [8]。这些观察结果表明了一个治疗原则：牙周炎的持久控制不仅需要抑制过量的 ROS，还需要恢复线粒体质量控制以重置氧化还原平衡并中断下游破坏途径。

在牙周炎进展过程中，受损的线粒体通过线粒体损伤相关分子模式（mtDAMPs）激活先天免疫通路 [9], [10]。具体而言，线粒体完整性丧失允许核酸和脂质进入细胞质或细胞外空间，在那里引发炎症 [10], [11]。通过 BAX/BAK 大孔或通透性转换孔释放的细胞质线粒体 DNA（mtDNA），与环 GMP-AMP 合成酶（cGAS）结合并触发干扰素基因刺激因子（STING）信号传导，驱动 I 型干扰素和其他促炎细胞因子 [12], [13]。与此同时，mtROS 与 mtDNA 一起启动并激活 NOD 样受体家族 pyrin 结构域含有 3 蛋白（NLRP3），促进 IL-1β和 IL-18 的成熟，从而加剧组织损伤 [14]。这些过程相互强化，在线粒体应激和炎症之间形成前馈循环。在此背景下，线粒体炎症是指由受损线粒体启动或放大的炎症信号，特别是通过 mtROS 积累、细胞质 mtDNA 释放以及线粒体相关炎症通路激活。最后，由于线粒体状态与细胞代谢不可分割，包括氧化磷酸化和糖酵解之间的平衡、β-氧化以及氧化还原辅因子供应，这深刻影响细胞增殖、分化和矿化等功能，因此恢复线粒体稳态有望缓和炎症基调并有助于正常化与牙周修复相关的代谢程序 [15], [16]。更广泛地说，这些线粒体变化也与细胞器稳态相关表型有关，包括线粒体完整性、内质网应激以及内质网 - 线粒体通讯。

基于我们之前的证据，即增强核因子 E2 相关因子 2（NRF2）可以抑制 NLRP3 驱动的炎症并有助于维持线粒体功能，局部激活 NRF2 可能有助于治疗线粒体损伤相关的牙周炎症 [10], [17]。最近，NRF2 的药理学激活取得了进展，出现了诸如萝卜硫素、omaveloxolone (RTA-408) 和二甲基富马酸等药物 [18], [19], [20]。值得注意的是，柠檬酸二甲酯（DMC）作为柠檬酸的酯化衍生物，已被报道为一种有效的 NRF2 激动剂，可稳定 NRF2，促进其核转位，上调下游细胞保护基因，并以 NRF2 依赖性方式缓解结扎诱导的牙周破坏 [21]。机制上，DMC 促进 KEAP1-NRF2 解离并延长 NRF2 半衰期。然而，口腔内直接给予小分子药物受限于快速清除、病灶部位保留率低以及生物利用度次优，这突显了需要一种疾病微环境响应性载体来增强定位、稳定性和持续暴露 [22]。

纳米技术赋能的抗氧化疗法在由氧化损伤驱动的疾病中显示出巨大的前景 [23], [24], [25]。近年来，二氧化铈（CeO2）纳米酶因其通过可逆的 Ce3+/Ce4+ 氧化还原循环和氧空位化学清除 ROS 的能力而引起了极大的兴趣。此外，据报道纳米二氧化铈在特定的体外条件下表现出类似 DNA 核酸酶的特性 [26], [27]。作为一种咪唑酸盐金属 - 有机框架（MOF），沸石咪唑酯骨架材料 -8（ZIF-8）是一种生物相容性、多孔且轻微酸性/pH 响应性的壳，适用于药物封装和控释 [28], [29], [30]。在本研究中，我们开发了一种原位合成策略来制备 ZIF-8 包裹的 CeO2 纳米颗粒（CeO2@ZIF-8），具有增强的催化和抗氧化性能。ZIF-8 壳稳定和分散催化性的 CeO2 核心，保护活性位点，减少聚集，并将催化 ROS 淬灭与微环境触发的渗透性耦合起来。先前的研究表明，CeO2@ZIF-8 可以在糖尿病伤口和缺血性中风等模型中实现协同抗氧化和治疗效果 [31], [32]。然而，牙周炎相关的氧化应激不仅仅是普遍的氧化还原失衡，而是与线粒体功能障碍、mtDNA 泄漏、先天免疫激活和成骨修复受损密切相关。因此，除了传统的 ROS 清除或抗氧化递送平台外，基于线粒体炎症导向的设计可能更好地匹配牙周组织破坏的病理级联。重要的是，CeO2@ZIF-8 能够实现 DMC 等小分子的高负载，并支持在发炎的牙周微环境中进行 pH 响应性释放，从而延长局部暴露时间，同时将药物递送与微环境变化同步。

综上所述，我们通过原位共封装 DMC 于 ZIF-8 包裹的二氧化铈纳米颗粒（CeO2-DMC@ZIF-8）中，构建了一种多功能纳米酶，以靶向牙周炎中的线粒体炎症。该设计不仅依赖于单一的抗氧化或抗炎机制，而是将催化性 ROS 调节、NRF2 介导的细胞保护和线粒体炎症信号调控整合在一个局部递送平台中。（i）在炎症性牙周微环境中，酸敏感的 ZIF-8 壳发生微环境响应性降解，实现按需释放 DMC 并暴露 CeO2 纳米酶核心以促进 ROS 中和。（ii）为了减弱炎症的内源性驱动因素，作为 NRF2 激动剂的 DMC 抑制炎症小体活性，而 CeO2 核心有助于保持线粒体完整性并减少细胞质 mtDNA 积累，从而限制 cGAS-STING 激活。两者共同提供了对线粒体来源炎症信号的互补性减弱。因此，CeO2-DMC@ZIF-8 不仅被定位为一种通用的抗氧化载体，而是一个旨在中断 mtROS-线粒体损伤-mtDNA 释放 - 炎症信号循环的综合平台。与仅强调抗氧化活性的传统 MOF 平台不同，CeO2-DMC@ZIF-8 整合了催化和生物功能，以支持线粒体稳态并从源头上减轻氧化应激（方案 1），提供持续的治疗效果。最后，本研究进一步探究了这种干预的代谢后果，并确定了脂质代谢在连接线粒体炎症与成骨结果中的贡献作用，详细机制有待未来研究。

章节片段
CeO2-DMC@ZIF-8 纳米酶的合理设计与原位合成
CeO2-DMC@ZIF-8 纳米复合材料的制备方案如图 1A 所示。首先，合成了 CeO2 纳米多面体（约 20 ± 5 nm；图 S1A 和 B），并按照之前报道的程序经过轻微修改制备了纳米级 ZIF-8（约 140 nm；图 1B, C）。为了构建负载 DMC 的 CeO2@ZIF-8 复合材料，我们进一步开发了一种原位生长策略，在该策略中，ZIF-8 壳在 CeO2 表面形成，同时 DMC 被同时封装在

讨论
牙周炎进展与氧化应激密切相关，线粒体被认为是细胞内 ROS 的主要来源之一 [5], [33]。在线粒体功能障碍的炎症微环境中，过量的线粒体 ROS 不仅加重氧化损伤，还可能通过激活 cGAS-STING 和 NLRP3 等线粒体相关炎症通路来放大炎症反应，从而促进牙周组织破坏和骨丢失

结论
综上所述，通过在 CeO2@ZIF-8 框架内原位整合 DMC，开发了一种微环境响应性复合纳米酶 CeO2-DMC@ZIF-8，以靶向牙周炎中线粒体相关的炎症应激。该平台结合了强大的 ROS 清除能力与 NRF2 激活，从而减轻 cGAS-STING 和 NLRP3 炎症读出，缓解线粒体/内质网应激表型，并恢复 BMSCs 在 LPS 挑战下的成骨活性。代谢组学进一步

CeO2-DMC@ZIF-8 的合成与表征
Zn(NO3)2·6H2O 和 2-甲基咪唑购自麦克林公司（中国上海）。Ce(NO3)3·6H2O、NaOH 和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）购自阿拉丁公司（中国上海）。CeO2 纳米颗粒通过水热法制备，将 Ce(NO3)3·6H2O (0.05 M) 和 NaOH (0.01 M) 溶解在 50 mL 去离子水中，然后在 180 °C 下高压灭菌 24 小时，并通过离心收集固体。为了获得框架生长的稳定中间体，将 CeO2 (50 mg) 被

CRediT 作者贡献声明
李一新：验证，调查，数据整理。朱程：写作 - 回顾与编辑，验证，调查，形式分析，数据整理。刘启航：可视化，方法学，形式分析。方冰：写作 - 回顾与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。金宇：写作 - 回顾与编辑，验证，形式分析。李天成：写作 - 原稿，可视化，方法学，调查，形式分析。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

数据可用性
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致谢
本研究得到了国家自然科学基金（82401159, 82571126 和 82401179）和国家重点研发计划（2022YFC2405904）的支持。

李天成 | 朱程 | 李一新 | 刘启航 | 方润泽 | 杨子桐 | 屈陆瑶 | 唐新月 | 金宇 | 方冰 | 夏龙国
上海交通大学医学院附属第九人民医院正畸科，上海交通大学医学院，上海交通大学口腔医学院，国家口腔医学中心，国家口腔疾病临床医学研究中心，上海市口腔医学重点实验室，上海市口腔医学研究所，上海，200011，中国