纳米岛包裹的富氧空位铂单原子纳米酶：激活催化活性并重编程氧化还原微环境以修复骨坏死

在激素性股骨头坏死（steroid-induced osteonecrosis of the femoral head，SONFH）中，活性氧（reactive oxygen species，ROS）过度积累会损害骨再生与血管生成，然而当前抗氧化治疗仍受限于催化效率低和作用持续时间短。单原子纳米酶（single-atom nanozymes，SANs）由于具有明确的结构和最大化原子利用效率，因模拟天然酶而在ROS相关疾病治疗中展现出巨大潜力。然而，过渡金属位点与给电子中间体（如O*、OH*、OOH*）之间的强结合会形成较高能垒，从而限制其催化活性。研究人员在此成功将单原子铂嵌入CeO_2-x中，构建CeO_2-x/Pt SANI，并通过“岛-海”协同效应增强其催化活性。依托纳米岛独特的电荷转移结构与限域效应，CeO_2-x/Pt SANI表现出优于CeO₂的酶样活性，这归因于促进强电子转移的岛-海协同作用，且已被密度泛函理论（density functional theory，DFT）计算所证实。DFT计算进一步表明，Pt的引入可增加氧空位，并将d带中心调控至更接近费米能级，从而促进ROS吸附并加速氧化还原反应。单细胞测序与实验结果共同证实，CeO_2-x/Pt SANI能够重编程氧化微环境，并在SONFH中产生显著治疗效果。该研究为优化催化活性的先进“岛-海”结构单原子纳米酶的理性设计提供了重要见解。

该研究发表于《Advanced Science》，聚焦激素性股骨头坏死（steroid-induced osteonecrosis of the femoral head，SONFH）的氧化应激病理机制。既往研究表明，糖皮质激素持续暴露可诱导活性氧（reactive oxygen species，ROS）异常积累，破坏骨组织内氧化还原稳态，进而造成线粒体功能障碍、细胞衰老、凋亡、成骨分化受抑及血管生成受损，最终推动股骨头结构塌陷。现有抗氧化策略虽可一定程度缓解损伤，但普遍存在催化效率不足、广谱清除能力有限及体内持续性差等问题。单原子纳米酶（single-atom nanozymes，SANs）具有高原子利用率和可调电子结构，但其活性位点与中间体结合过强，反而抬高反应能垒；同时，单原子还存在聚集失活风险。因此，开发兼具高稳定性、低能垒和多酶样活性的纳米酶，是SONFH治疗的重要需求。

围绕上述问题，研究人员设计了“岛-海”结构的CeO_2-x/Pt SANI。该体系中，表面富氧空位的CeO_2-x纳米岛充当“岛”，用于锚定并限域Pt单原子；CeO₂载体则作为“海”，提供稳定支撑并促进金属-载体间电子转移。研究表明，这种结构不仅提升氧空位丰度，还通过Pt掺入调节电子结构，使d带中心靠近费米能级，从而有利于H₂O₂、•OH和•O₂⁻等反应物的吸附与转化。最终，CeO_2-x/Pt SANI实现了对氧化微环境的重塑，显著改善成骨、血管生成和组织修复，显示出面向SONFH治疗的转化潜力。

主要技术方法概括：研究采用溶剂热-原位低温还原法制备CeO_2-x/Pt SANI，并通过TEM、HAADF-STEM、XRD、XPS、ESR、XANES/EXAFS等表征结构与配位环境；结合ABTS、TMB、WST-8、溶氧检测和DFT评估多酶样催化；利用HBMSCs与HUVECs体外模型、SONFH大鼠模型、micro-CT、组织学、单细胞RNA测序（取材自大鼠股骨头骨髓）、Bulk RNA-seq及Seahorse分析验证机制与疗效。

2.1 Synthesis and Characterization of CeO_2-x/Pt SANI
研究人员首先完成了CeO_2-x/Pt SANI的构建与系统表征。显微结构结果显示，该材料保持约100 nm球形形貌，表面较粗糙；高分辨透射电镜可见CeO₂的(111)和(220)晶面条纹，而选区电子衍射和XRD均未观察到Pt团簇或纳米颗粒特征峰，提示Pt以高分散单原子形式存在。EDS mapping与像差校正HAADF-STEM进一步直接观察到嵌于CeO_2-x表面的孤立Pt原子。XPS结果表明，CeO_2-x/Pt SANI具有更高的Ce³⁺/Ce⁴⁺比例和明显氧空位信号；ESR中g = 2.001的特征峰进一步证实氧空位存在。同步辐射XANES/EXAFS结果显示，Pt处于Ptδ⁺状态并以Pt-O配位形式存在，定量拟合提示每个Pt中心与4个O原子配位。该部分结果共同证明，研究人员成功获得了氧空位丰富、Pt单原子稳定锚定的“岛-海”结构纳米酶。

2.2 Catalytic Performance Evaluation of CeO_2-x/Pt SANI
在功能层面，CeO_2-x/Pt SANI表现出优异而广谱的活性氧/活性氮清除能力。ABTS实验显示其清除自由基氮物种（reactive nitrogen species，RNS）的能力强于CeO₂，且呈剂量依赖性；对过氧亚硝酸盐的清除实验也支持这一结论。TMB比色与ESR自旋捕获证明其•OH清除能力显著增强；WST-8和DMPO-ESR实验则证明其类超氧化物歧化酶（superoxide dismutase-like，SOD-like）活性明显优于CeO₂。在类过氧化氢酶（catalase-like，CAT-like）反应中，CeO_2-x/Pt SANI可快速分解H₂O₂并释放O₂，具有更高Vmax和更低Km，且循环稳定性良好。

为解释其高活性来源，研究人员进一步开展密度泛函理论（DFT）分析。结果表明，Pt掺入诱导邻近氧空位形成，并增强表面电荷极化与电子转移；d带中心上移至更接近费米能级，提高了对H₂O₂、•OH和•O₂⁻的吸附能力。更关键的是，CeO_2-x/Pt SANI在O-O键断裂、H₂O脱附、H₂O₂脱附等关键步骤上的能垒均低于CeO₂。因此，其催化增强并非单纯源于氧空位增多，而是“岛-海”协同、电荷转移和Pt单原子配位结构共同降低反应能垒的结果。

2.3 CeO_2-x/Pt SANI Alleviates Oxidative Damage and Rejuvenates Osteogenic and Angiogenic Capacities in SONFH
在体外SONFH模型中，CeO_2-x/Pt SANI显著减轻氧化损伤。HBMSCs经糖皮质激素刺激后出现明显衰老和脂肪分化增强，表现为SA-β-Gal染色增强和Oil Red O阳性脂滴增多；CeO_2-x/Pt SANI处理后，上述改变明显缓解。成骨相关检测显示，该材料可恢复矿化结节形成和ALP活性，并上调RUNX2、ALP、OCN等成骨基因，同时下调P16、P21及PPARG、FABP4等衰老/脂肪分化相关基因，表明其能将细胞状态由退变性表型重新推向再生性表型。
在血管生成方面，CeO_2-x/Pt SANI改善了HUVECs在氧化应激下的形态和活力，增强管腔形成、迁移及划痕修复能力，并恢复ANG1和VEGF表达。这一部分说明，该纳米酶不仅保护成骨细胞谱系，也同步维护血管内皮再生潜能。

2.4 CeO_2-x/Pt SANI Promotes Bone Regeneration and Functional Recovery In Vivo
在SONFH大鼠模型中，micro-CT显示CeO_2-x/Pt SANI显著改善股骨头骨小梁结构，增加骨体积分数（BV/TV）、骨小梁数目（Tb.N）和厚度（Tb.Th），并降低骨小梁分离度（Tb.Sp）。步态分析提示，该治疗同时改善了负重与运动功能，包括步长、站立时间、步频和摆动时间等指标。组织学上，H&E和Masson染色显示，治疗后股骨头坏死减轻，骨髓脂肪浸润减少，活性骨细胞和胶原丰富的新生骨基质增加。安全性结果未见主要脏器明显病理损伤。该部分证明CeO_2-x/Pt SANI不仅能保存骨结构，还能转化为功能获益。

2.5 CeO_2-x/Pt SANI Accelerates Osteogenesis and Angiogenesis by Promoting Mineralization and Revascularization
进一步的组织层面分析显示，CeO_2-x/Pt SANI显著提高骨形成动态指标。双钙黄绿素标记提示矿物沉积速率（mineral apposition rate，MAR）明显升高，说明体内新骨形成加快。免疫荧光显示，股骨头中vWF和COL1信号显著增强，提示血管再生与骨基质沉积同步恢复。尤其是新生血管区域与胶原基质沉积呈空间共定位，表明血管生成与成骨偶联过程被重新建立。研究据此说明，持续的ROS清除可为骨和血管的协同再生创造适宜微环境。

2.6 CeO_2-x/Pt SANI Reprograms the Bone Marrow Microenvironment in SONFH
单细胞RNA测序结果揭示了更深层次的微环境重编程效应。研究人员在股骨头骨髓中鉴定出16类主要细胞群。SONFH状态下，炎性单核细胞、中性粒细胞和M1样巨噬细胞比例增高，而成骨祖细胞、成骨细胞和内皮细胞减少；CeO_2-x/Pt SANI处理后，这种组成失衡被逆转。进一步对成骨谱系重聚类发现，治疗扩大了骨形成活跃和干/祖细胞样亚群，同时减少炎症/衰老型成骨细胞亚群。SCENIC分析提示，SONFH中Rela和Trim47等炎症转录调控活跃，而治疗后其活性下降；免疫荧光进一步证实Nrf2核转位增加、NF-κB p65核定位减少。该部分说明CeO_2-x/Pt SANI通过抑制炎症回路并增强抗氧化防御，重塑病理骨髓生态位。

2.7 CeO_2-x/Pt SANI Restores Mitochondrial Homeostasis and Alleviates Oxidative Stress
Bulk RNA-seq显示，SONFH条件下与线粒体氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）、三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA）及蛋白翻译相关的基因整体下调，而CeO_2-x/Pt SANI可部分恢复这些转录程序。Seahorse检测证实，该材料显著提升基础呼吸和最大呼吸能力，ATP水平同步恢复。JC-1结果提示线粒体膜电位（ΔΨm）得以维持；MitoTracker、结构光照明显微镜（SIM）及TEM进一步显示，其可保留线粒体管状网络、嵴结构和超微形态完整性。由此可见，该纳米酶不仅在细胞外/细胞整体层面缓解氧化应激，也在细胞器水平维护生物能量代谢与蛋白稳态，为成骨和组织修复提供基础支持。

讨论与结论总结
全文的核心贡献在于，将单原子Pt、CeO_2-x氧空位与“岛-海”限域结构有机整合，建立了兼具高稳定性和高催化活性的多酶样纳米酶体系。与传统抗氧化剂依赖化学计量消耗不同，该体系通过持续催化方式清除ROS/RNS，能够更长期地缓解病灶氧化压力。结构层面，Pt单原子嵌入与氧空位耦合改变了表面电子结构并降低关键反应能垒；生物学层面，其不仅缓解细胞衰老、脂肪变和炎症，还恢复线粒体稳态、促进成骨和血管生成，最终实现骨结构与负重功能的修复。该研究将催化材料设计与再生医学病理调控相连接，展示了“原子催化-微环境重编程”策略在退行性骨病治疗中的应用价值。

结论部分翻译：
总体而言，研究结果表明，理性设计的单原子纳米酶CeO_2-x/Pt SANI能够对抗氧化应激性骨疾病中的多重病理过程。通过持续性的氧化还原调控，CeO_2-x/Pt SANI逆转了细胞衰老和脂肪性退变，增强了成骨分化与血管生成，重建了炎症微环境平衡，并维持了线粒体功能和蛋白稳态。这些多层面的综合效应最终在SONFH动物模型中带来了显著的骨再生以及负重功能恢复。上述发现凸显了CeO_2-x/Pt SANI在SONFH临床治疗中的转化潜力。同时，该研究也强调了利用先进纳米酶催化剂靶向氧化应激的更广泛治疗前景，并突出了微环境重编程在氧化损伤相关退行性疾病治疗中的重要意义。通过整合材料科学与骨生物学，该策略为构建兼具高效性与持久性的下一代抗氧化治疗体系、以恢复组织健康提供了新路径。