这篇由Gong等人在Journal of Nanobiotechnology（2025）发表的研究论文来自复旦大学华山医院骨科和广州中医药大学的联合团队，报道了一种可促进脊髓损伤(Spinal Cord Injury, SCI)修复的新型复合水凝胶材料的开发与应用。
脊髓损伤治疗一直是医学界的重大挑战。当前的治疗手段如手术减压和康复训练仅能提供有限的症状缓解，但无法逆转脊髓组织损伤。SCI后的炎症反应是推动损伤进程的关键因素，其中巨噬细胞起核心作用。巨噬细胞具有M1促炎表型和M2抗炎表型两种表现形式。在SCI中，M1表型占主导地位，会加剧损伤。同时，炎症级联反应中产生的过量活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)会对细胞结构造成实质性损害，最终导致瘢痕形成，阻碍神经修复。
近年来，具有酶样特性的纳米颗粒作为潜在治疗剂受到广泛关注。氧化铈纳米颗粒(Ceria nanoparticles, CeNPs)因其独特的Ce³⁺和Ce⁴⁺氧化态而尤为突出，能够中和多种ROS。锰氧化物纳米颗粒(Manganese oxide nanoparticles, MnNPs)同样具有催化分解H₂O₂的能力。神经生长因子(Nerve Growth Factor, NGF)作为重要的神经营养因子，在调节神经元生长、发育和可塑性方面起关键作用。然而，单独使用NGF注射常因其在损伤部位的快速扩散而效果受限。
基于此，本研究旨在开发一种结合酶活性纳米颗粒和NGF的新型复合材料，通过调节免疫微环境和增强神经修复来改善SCI治疗。研究人员设计了一种锰修饰的氧化铈纳米颗粒(CeMn NP)，表面包被聚乙二醇(Polyethylene Glycol, PEG)形成水溶性纳米酶CeMn NP-PEG。这种多功能纳米酶利用Ce³⁺/Ce⁴⁺和Mn²⁺/Mn³⁺/Mn⁴⁺的氧化还原循环高效清除ROS，并与NGF共同整合到可光聚合的水凝胶LightGel中，形成LightGel/NGF/CeMn NP-PEG复合物。
研究分为多个系统性实验阶段：
纳米酶合成与表征：通过溶胶-凝胶反应合成疏水的CeMn NP纳米酶核心，并用DSPE-MPEG修饰获得亲水的CeMn NP-PEG纳米酶。采用透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等技术确认其晶体结构、混合价态和氧化还原特性。通过流体力学直径、Zeta电位和元素分析评估粒径均匀性、生物相容性和催化活性。
最优浓度探索：在PC12细胞(肾上腺髓质嗜铬细胞瘤细胞系)和BV2细胞(小鼠小胶质细胞系)中测试不同浓度CeMn NP-PEG的生物活性。通过活/死染色、CCK-8增殖试验和ROS检测(DCFH-DA荧光探针)等实验，最终确定4 μg/mL为最佳工作浓度。
水凝胶复合物构建与表征：将10 μg/mL NGF、4 μg/mL CeMn NP-PEG与10% LightGel光交联组合。通过扫描电镜观察多孔结构，压缩试验和流变分析评估机械性能，ELISA检测NGF释放动力学，并进行30天的降解研究。
体外功能验证：将H₂O₂处理的PC12和BV2细胞分为PBS对照、H₂O₂、H₂O₂+LightGel、H₂O₂+LightGel/NGF和H₂O₂+LightGel/NGF/CeMn NP-PEG五组。通过qPCR、Western blot、免疫荧光等技术检测神经生长相关蛋白(NF200、GAP-43)表达、炎症因子(IL-1β、IL-6、IL-4、IL-10)水平及ROS清除能力。通过流式细胞术和免疫荧光分析巨噬细胞极化标志物(CD206、CD86)，评估CeMn NP-PEG对M1向M2极化的促进作用。通过Western blot分析cGAS-STING-pIRF3信号通路关键蛋白表达。
体内动物实验：建立SD大鼠T8-9脊髓挫伤模型，随机分为假手术组、LightGel组、LightGel/NGF组和LightGel/NGF/CeMn NP-PEG组。通过Basso-Beattie-Bresnahan(BBB)评分评估28天内后肢运动功能恢复情况，足迹分析评估运动协调性。6周后处死动物，进行HE和尼氏染色观察组织连续性，免疫荧光染色检测NF200和GFAP(胶质纤维酸性蛋白)表达，免疫组化分析IL-1β和IL-6水平。
纳米酶特性：CeMn NP-PEG呈高度晶化的球形，核心尺寸约2.0 nm，流体力学直径17.6±0.82 nm(数均)和28.6±2.0 nm(光强均)，Zeta电位-29.07±0.95 mV。XRD证实具有立方萤石结构，XPS显示Ce和Mn均为混合价态。4 μg/mL浓度下，PC12和BV2细胞存活率最高，ROS清除能力最佳。
水凝胶性能：LightGel/NGF/CeMn NP-PEG复合物呈现理想的多孔结构，压缩模量最优(约12000 Pa)。NGF在40小时内释放90%，初期快速释放后期平稳。30天降解研究显示各组均能保持基本结构完整性，含NGF或CeMn NP-PEG的组降解略快。
神经保护与再生：体外实验中，H₂O₂处理抑制PC12细胞NF200和GAP-43表达，而LightGel/NGF/CeMn NP-PEG显著恢复这一表达(P<0.01)。Western blot与免疫荧光结果一致。在大鼠模型中，治疗组损伤部位连续性更好，尼氏体数量更多，NF200表达显著增加，GFAP阳性区域减少(P<0.01)，表明神经再生增强且胶质瘢痕形成减少。
抗炎与ROS清除：在PC12和BV2细胞中，复合物显著下调IL-1β和IL-6(促炎因子)(P<0.01)，上调IL-4和IL-10(抗炎因子)(P<0.05)。DCFH-DA检测显示复合物的ROS清除能力显著优于其他组(P<0.01)。动物实验也证实IL-1β和IL-6表达显著降低(P<0.01)。
巨噬细胞极化调节：流式细胞术显示复合物显著提升CD206(M2标记)平均荧光强度(P<0.01)，降低CD86(M1标记)表达(P<0.01)。Western blot证实复合物抑制cGAS-STING-pIRF3通路激活(P<0.01)。
功能恢复：从第二周开始，LightGel/NGF/CeMn NP-PEG组的BBB评分显著高于其他组(P<0.05)，第28天达16分(21分制)。足迹分析显示治疗组步态更协调，拖拽痕迹减少。
本研究成功开发了具有多重功能的LightGel/NGF/CeMn NP-PEG复合物，其创新性和价值体现在：
材料设计创新：首次将CeMn纳米酶与NGF结合于光响应水凝胶中，利用Ce³⁺/Ce⁴⁺与Mn²⁺/Mn³⁺/Mn⁴⁺的协同氧化还原循环增强ROS清除能力。小粒径(约2nm)和负电荷(-29mV)提高了生物屏障穿透性和稳定性。
机制新发现：首次揭示该复合物通过抑制cGAS-STING-pIRF3信号通路促进M2型巨噬细胞极化，改善神经炎症微环境。Western blot显示该通路关键蛋白(cGAS、STING、pIRF3)表达显著下调。
治疗策略综合：同时解决了SCI治疗中的三个关键问题—ROS积累、炎症反应和神经再生障碍。体外实验显示能在H₂O²模拟的氧化应激环境中维持PC12细胞80%以上存活率，优于单一组分治疗组。
临床转化潜力：材料具有良好的生物相容性和可控释放特性。NGF在40小时内释放90%，满足治疗需求。大鼠实验中观察到显著的神经功能恢复(BBB评分提高约35%)，表明其具有良好的临床应用前景。
作者也指出了研究的几点局限：(1) H₂O₂处理的细胞模型不能完全模拟实际SCI的复杂条件；(2) 仅使用雌性大鼠，未考察性别差异影响；(3) 未进一步探究cGAS-STING-pIRF3激活介导M2极化的下游机制；(4) 动物实验中未分析特定的炎症相关表型机制。
总体而言，这项研究为脊髓损伤修复提供了新型多功能生物材料的设计思路，阐明了cGAS-STING通路在调控巨噬细胞极化中的作用，为临床SCI治疗策略开发奠定了重要基础。