基于血管重建的纳米酶疗法：打破活性氧（ROS）与血管不足之间的恶性循环，以治疗慢性难愈性伤口

本研究设计了一种复合纳米酶TCC，通过结合超小CeNC和富含钴的ZIF框架，有效清除氧化应激并促进血管生成，打破慢性伤口中ROS积累与血管不足的恶性循环，显著提升愈合效率。

姜秋雪|张美霞|杨宇琦|金明珠|赵俊龙|陈大|姜博琪|李梦凡|马佳豪|李杰|赵建伟|曲永全|刘玲|李三中|田志敏

工业和信息化部特种功能与智能聚合物材料重点实验室，西北工业大学化学与化学工程学院，西安，710054，中国

摘要

慢性难愈合伤口的病理生理特征是血管生成受损与活性氧（ROS）过度生成之间的有害相互作用，这种相互作用因持续炎症而加剧，形成一个恶性循环。目前的治疗策略在应对这种多方面的病理生理机制方面效果不佳。为了打破这一恶性循环，我们设计了一种复合纳米酶（TCC），该方法将超小氧化铈纳米团簇（CeNC）封装在生物相容性的钴基沸石咪唑框架（Co-ZIF）中，并引入色氨酸作为竞争性配体。Co-ZIF框架的空间限制有效地抑制了高度缺陷的CeNC的聚集，同时促进了Co与Ce之间的电子转移。这种协同效应提高了Ce³⁺的比例，并调节了CeNC的d带中心，从而增强了其催化分解超氧阴离子的能力。体外和体内实验表明，TCC表现出卓越的ROS清除能力。同时，它通过释放的钴离子有效促进了血管生成，这些离子稳定了缺氧诱导因子-1α并进一步上调了血管内皮生长因子的表达。TCC的这两种功能共同破坏了恶性ROS积累和血管功能不全的恶性循环。因此，TCC在体内和体外显著增强了伤口微环境中的促血管生成效果。这项工作提出了一种将基于纳米酶的ROS清除与血管修复相结合的策略，为针对氧化和血管病理的下一代再生疗法提供了转化潜力。

引言

血管生成确保了氧气/营养物质的有效输送到组织中，并促进了代谢废物的清除，这对于创伤性损伤或病理损伤后的组织修复和再生至关重要[1]，[2]。血管生成不足导致伤口愈合延迟，在临床上被归类为慢性难愈合伤口。这些伤口显著影响了患者的生活质量，甚至可能导致死亡，给健康和经济带来了巨大负担。全球每年约有5亿人遭受由多种原因（例如创伤性损伤、烧伤、手术切口）引起的慢性难愈合伤口[3]，[4]，[5]。慢性伤口的发病机制可能由多种因素引起，包括衰老、肥胖、炎症、糖尿病和血管功能不全[6]，[7]，[8]。目前的治疗策略主要集中在清创、感染控制和局部治疗上。不幸的是，由于这些伤口复杂的病理微环境，这些临床干预措施不足以满足有效愈合的多方面需求[9]，[10]。此外，血管生成对于多种组织修复过程（包括脑损伤、骨骼缺陷和移植后器官再生）至关重要[11]，[12]，[13]。因此，已经探索了促进血管生成的策略（生长因子、基因疗法、细胞疗法等）来改善慢性伤口愈合。然而，这些方法的效果并不理想，并且存在致癌风险[14]，[15]。因此，迫切需要创新策略来增强血管生成，以促进组织再生和伤口修复。

慢性难愈合伤口中的持续炎症状态通常会引发严重的氧化应激，这进一步阻碍了血管生成，并形成了一个恶性循环，其特征是活性氧（ROS）的过度积累和血管化不足，严重损害了伤口愈合[16]，[17]，[18]，[19]。因此，打破ROS和血管化不足的恶性循环对于恢复血管生成至关重要。总体而言，针对慢性难愈合伤口的病理微环境，采用一种结合抗炎、减轻ROS诱导的损伤和促进血管生成的治疗策略，有望实现有效愈合。

缺氧诱导因子-1α/血管内皮生长因子（HIF-1α/VEGF）信号通路是血管生成的关键调节因子，在慢性难愈合伤口中由于复杂的病理微环境（例如高水平的葡萄糖和ROS）而功能失调[20]，[21]，[22]。HIF-1α是细胞对低O₂水平反应的关键调节因子，它激活了多种蛋白质（例如VEGF）的表达，这些蛋白质参与细胞增殖、迁移和血管生成。鉴于其在再血管化中的核心作用，上调HIF-1α的表达以恢复血管生成能力是一种有前景的治疗策略[21]，[23]，[24]。然而，HIF-1α在暴露于空气中的慢性难愈合伤口中本质上是不稳定的[21]。此外，先前报道的作为HIF-1α稳定剂的化学分子与副作用相关，如肝脏损伤[21]，[25]。因此，迫切需要开发替代策略来激活伤口中的HIF-1α。最近的研究表明，细胞外囊泡、NO、H₂S、CO、铱复合物、Zn²⁺、Ca²⁺、铜和钴基纳米材料可以通过促进HIF-1α活性来上调VEGF表达，从而加速伤口愈合[21]，[24]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]，[31]，[32]，[33]，[34]，[35]。

此外，理想的伤口治疗纳米药物应具有强大的抗氧化活性。最近，纳米酶（一类具有酶样活性的纳米催化剂（金属、金属氧化物、碳基材料、金属有机框架（MOFs）等）因其可设计的仿生特性、易于制备、高环境稳定性和成本效益而受到广泛关注[36]，[37]，[38]，[39]，[40]。特别是MOFs，由于其均匀的孔隙率和极高的表面积，使其在生物医学应用中具有优异的催化潜力[41]，[42]。在MOF纳米酶中，基于钴的MOFs（例如ZIF-67）因其高催化活性和易于制备而被广泛报道为有前景的纳米酶。更重要的是，ZIF-67作为钴源，具有促进血管生成、诱导抗炎巨噬细胞极化以抑制炎症的潜力，从而加速伤口愈合[43]，[44]，[45]。然而，其相对较低的ROS清除能力限制了其治疗效果。具有混合Ce³⁺/Ce⁴⁺价态的纳米氧化铈（CeNC）具有内在的抗氧化活性[46]，[47]，[48]，[49]。然而，它们的活性受到聚集和低比表面积的显著限制，阻碍了其生物医学应用。最近，超小氧化铈纳米团簇（CeNC）因其较大的表面积、较高的Ce³⁺比例和优化的电子结构而表现出卓越的抗氧化性能。这些特性使CeNC在纳米医学中特别有吸引力[50]，[53]。不幸的是，由于其热力学不稳定性和合成复杂性，合成稳定且均匀的小纳米团簇仍然具有挑战性[52]。

在这里，我们通过将CeNC（约1.5纳米）和色氨酸整合到基于钴的ZIF-67（Co-ZIF）框架中，构建了一种复合纳米酶（TCC），以打破恶性ROS积累和血管功能不全的恶性循环，从而加速慢性伤口愈合（示意图1）。Co-ZIF的空间限制效应有效地将其框架内的高度缺陷CeNC固定住，避免了聚集并保持了活性。内部的Co与Ce之间的电子转移提高了Ce³⁺的比例，并调节了CeNC的d带中心。这些结构特征显著提高了TCC的抗氧化效果，其ROS清除能力几乎是CeO₂的365倍（类似SOD的活性）和244倍（类似CAT的活性）。此外，色氨酸将TCC的大小从微米级减小到约200纳米，显著增强了其抗氧化活性和生物利用度，有利于伤口愈合[53]。体外和体内实验表明，TCC通过清除ROS、抑制炎症以及通过上调HIF-1α/VEGF的水平来促进血管生成，从而增强了伤口愈合。与对照组相比，TCC处理的伤口在第七天血管密度增加了165%，在第十四天增加了56%。同时，伤口在第十四天几乎完全愈合，显示出其在慢性伤口愈合中的治疗优势。总体而言，这种基于TCC的治疗策略为逆转恶性ROS积累-血管功能不全循环提供了有前景的范例。

章节片段

TCC的合成

TCC是根据之前的报告并进行了修改[45]制备的。首先，将Co(NO₃)₂·6H₂O（0.87克）和(NH₄)₂Ce(NO₃)₆（0.0866克）溶解在去离子水中（150毫升）。然后，将2-甲基咪唑（14.78克）和L-色氨酸（0.3克）溶解在另一份去离子水中（150毫升）。随后，将两种溶液混合并在室温下老化3小时以促进成核和框架组装。然后，收集产物并用大量水清洗三次

合成与表征

如图1a所示，TCC是通过温和条件下的单步合成协议制备的，该协议使得超小CeNC自发生长并在Co-ZIF框架中引入色氨酸[45]。透射电子显微镜（TEM）图像显示TCC具有类似榛子的形态，平均直径约为200纳米，这明显小于单独的Co-ZIF（约1.0微米）或CeNC@ZIF-67（Ce/Co-ZIF）（约1.4微米）（图1b和S1a-S1g）。如图S1h所示，TCC

结论

总之，我们开发了一种基于纳米酶的治疗策略，用于打破慢性难愈合伤口愈合中的病理ROS积累-血管功能不全循环。这种将超小CeNC和色氨酸整合到Co-ZIF框架中的复合纳米酶旨在应对复杂病理伤口微环境中的多方面挑战。固定在Co-ZIF框架内的缺陷CeNC防止了聚集，同时内部的Co与Ce之间的电子转移

CRediT作者贡献声明

李杰：数据管理。赵建伟：软件。李三中：资金获取。杨宇琦：项目管理、正式分析、数据管理。田志敏：写作 - 审稿与编辑、研究、资金获取。金明珠：写作 - 原稿撰写、正式分析。曲永全：资金获取。姜秋雪：写作 - 审稿与编辑、原稿撰写、方法学、数据管理、概念化。刘玲：资金获取。张美霞：项目管理，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

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致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2021YFB3500904）、国家自然科学基金（22475173）、陕西省重点研发计划（编号2024SF-YBXM-439）以及深圳市科技计划（JCYJ20240813150834045）的财政支持。作者还感谢中央高校基本科研基金（编号D5000210635）的支持。