多模式杂化纳米酶用于增强多靶点脓毒症治疗：一项关于Ce-Baicalein纳米酶的研究报告
近期，一篇题为《Multimodal Hybrid Nanozymes with Antioxidant Catalytic and Antibiotic-Free Antibacterial Activities for Enhanced Multi-Target Sepsis Therapy》的研究论文在*Cell Reports Medicine*期刊（2026年1月20日，第7卷，文章号102541）上发表。该研究由Kai Zhu、Bowen Zhang、Yanhua Li（共同第一作者）等与通讯作者Lian Zhao、Yongming Yao、Hong Zhou及Gan Chen共同完成。研究团队主要来自中国人民解放军军事医学科学院（Academy of Military Medical Sciences）、中国人民解放军总医院第一医学中心（Chinese PLA General Hospital）以及河北大学（Hebei University）。本研究成功开发了一种新型多功能纳米材料——铈-黄芩素纳米酶（Cerium-Baicalein Nanozymes， Ce-Be NZs），为脓毒症及其相关器官损伤的治疗提供了创新性策略。
脓毒症（Sepsis）是由感染引起的宿主免疫反应失调所导致的危及生命的综合征，每年导致全球约4890万病例和1100万死亡，其高死亡率主要源于脓毒症诱导的多器官衰竭。肝脏作为免疫防御前线器官，在脓毒症中既是重要的免疫调节者，也是易受损伤的靶点。目前，脓毒症的临床管理主要依赖于抗生素、液体复苏等对症治疗，难以应对其复杂的病理生理过程，导致死亡率居高不下。
脓毒症的发病机制涉及三个动态关联的关键环节：病原体入侵、失调的免疫反应和多器官损伤。在细菌性脓毒症中，感染引发全身性炎症反应，激活的巨噬细胞释放促炎细胞因子，这些细胞因子破坏线粒体呼吸链，触发活性氧（Reactive Oxygen Species， ROS）过度产生，进而导致线粒体功能障碍和铁死亡（Ferroptosis），最终引起急性肝损伤甚至死亡。这种多阶段病理生理学使得传统的单一靶点疗法效果有限。
纳米医学为应对脓毒症等复杂疾病提供了新途径。然而，现有纳米材料（如仅具抗氧化/抗炎或抗菌特性的材料）的单功能设计往往忽略了脓毒症病理生理的相互关联性。金属-配体纳米酶（Metal-Coordination Nanozymes）因其易于制备、理化性质稳定和生物相容性良好，为整合治疗提供了可能。黄芩素（Baicalein， BE）是从黄芩根中分离的天然多酚类黄酮，具有抗病毒、免疫调节和抗菌特性，但其临床应用受限于水溶性差和生物利用度低。因此，研究团队假设，通过金属（铈离子，Ce3+）与黄芩素配位形成的纳米酶，不仅能提高黄芩素的生物利用度和抗菌活性，还能赋予其多种酶催化功能，从而针对“感染-炎症-器官损伤”轴提供多靶点治疗策略。
本研究包含从材料合成、表征到体外、体内功能验证以及机制探索等一系列严谨的实验流程。
1. Ce-Be NZs的合成与表征： 研究首先以抗氧化活性为导向，筛选了多种金属离子（铁、铜、锌、锰、铈）与黄芩素的配位产物。结果显示，铈-黄芩素纳米酶（Ce-Be NZs）具有最强的抗氧化能力，被选定用于后续研究。合成方法为：在25°C下，将CeCl3和聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone， PVP）的甲醇溶液混合，然后逐滴加入黄芩素的甲醇溶液，充分搅拌后，在0.9% NaCl中透析过夜，获得Ce-Be NZs水溶液。其水溶性高达24 mg/mL，约为黄芩素（16.82 μg/mL）的1400倍。通过透射电子显微镜（TEM）、元素映射、动态光散射（DLS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和紫外-可见光谱（UV-Vis）等手段进行了全面表征。结果表明，Ce-Be NZs呈均匀的规则点状分布，平均直径为3.4 nm，水合动力学尺寸约14.2 nm，表面电位约为-25 mV，且在多种生理溶液中具有高稳定性。
2. Ce-Be NZs的抗氧化及酶模拟催化活性评估： 研究系统评估了Ce-Be NZs的自由基清除能力和模拟抗氧化酶的活性。 * 自由基清除： 使用亚甲基蓝（MB）法检测羟基自由基（·OH）清除能力，结果显示Ce-Be NZs能有效清除Fenton反应产生的·OH。通过DPPH和ABTS自由基清除实验，证明其清除能力与高浓度维生素C相当。电子自旋共振（ESR）谱进一步证实了Ce-Be NZs对·OH和单线态氧（1O2）的高效清除能力。 * 酶模拟活性： * 超氧化物歧化酶（SOD）模拟活性： 使用ESR和羟胺法检测超氧阴离子（·O2-）的清除，证明Ce-Be NZs（1 mg/mL）具有与天然SOD（150 U/mL）相当的SOD模拟活性。 * 过氧化氢酶（CAT）模拟活性： 通过检测氧气释放和ESR分析，证实Ce-Be NZs能将H2O2分解为H2O和O2，其活性相当于200 U/mL的天然CAT。米氏动力学分析（Michaelis-Menten equation）和双倒数作图法（Lineweaver-Burk plot）测得其对H2O2的Km值为0.24 mM，Vmax为0.16 × 10^6 M·s^-1。 这些优异的催化能力源于Ce离子活性中心的电子转移和价态变化（Ce4+/Ce3+比值约为0.57）。
3. Ce-Be NZs的广谱抗菌活性研究： 选择金黄色葡萄球菌（S. aureus， 革兰氏阳性）、大肠杆菌（E. coli， 革兰氏阴性）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa， Pa.）作为典型脓毒症相关细菌。 * 体外抗菌： 琼脂平板法显示，Ce-Be NZs（1 mg/mL）对S. aureus、E. coli和Pa.的抗菌率分别为73.67%、65.33%和39.67%，其最低抑菌浓度（MIC）分别为1.2、1.2和1.5 mg/mL。扫描电子显微镜（SEM）观察发现，经Ce-Be NZs处理的细菌细胞膜出现变形、皱缩和破裂。活/死细菌染色也证实了其显著的抗菌活性。此外，细菌细胞内黄芩素含量的测定表明，金属-多酚配位显著提高了黄芩素进入细菌的效率。 * 体内抗菌： 通过腹腔注射铜绿假单胞菌并利用生物发光成像观察，发现Ce-Be NZs处理组的荧光信号在12小时内逐渐减弱，而单独黄芩素处理组无显著变化。
4. Ce-Be NZs在巨噬细胞中的抗炎作用： 利用脂多糖（Lipopolysaccharide， LPS）刺激的小鼠巨噬细胞（RAW 264.7）模型进行评估。 * ROS清除： 流式细胞术显示，LPS显著提高了细胞内ROS水平，而Ce-Be NZs（低至1 μg/mL）能有效降低ROS水平。 * 抗炎效应： 免疫荧光和qPCR分析表明，Ce-Be NZs处理显著降低了LPS诱导的促炎因子（IL-6、IL-1β、iNOS、PTGS2）的表达水平。酶联免疫吸附试验（ELISA）进一步证实，Ce-Be NZs能显著减少细胞上清液中单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的浓度。这些结果表明，Ce-Be NZs能抑制巨噬细胞向促炎的M1表型极化。
5. Ce-Be NZs在脓毒症动物模型中的治疗效果： 建立了两种临床相关的脓毒症小鼠模型：盲肠结扎穿孔（Cecal Ligation and Puncture， CLP）模型和更复杂的“二次打击”（“Two-hit”）模型（CLP后继发铜绿假单胞菌肺部感染）。 * CLP模型： * 生存率： 单次腹腔注射Ce-Be NZs（10 mg/kg）能显著延长脓毒症小鼠的生存时间，将48小时生存率提高57.5%，并在延迟2小时给药后仍有效。在7天观察期内，40%的Ce-Be NZs处理小鼠在3天时存活，30%在7天时存活，而所有模型组和黄芩素处理组小鼠分别在2天和3天内全部死亡。 * 微循环与血液学： 激光多普勒血流仪检测显示，Ce-Be NZs能逆转脓毒症引起的后肢微循环血流下降。血液学参数分析表明，Ce-Be NZs有助于维持白细胞、淋巴细胞和血小板数量。 * 肝脏保护： Ce-Be NZs能显著减轻肝组织病理损伤（H&E染色），降低血浆丙氨酸氨基转移酶（ALT）和天冬氨酸氨基转移酶（AST）水平。免疫荧光显示，Ce-Be NZs能减少肝脏中促炎的M1型巨噬细胞（CD86+），增加抗炎的M2型巨噬细胞（CD206+），并降低血浆中IL-1β、IL-6、TNF-α和髓过氧化物酶（MPO）活性。 * “二次打击”模型： Ce-Be NZs处理将CLP/Pa.模型小鼠的10天生存率提高了30%，减轻了肝脏病理损伤，降低了血浆ALT和乳酸脱氢酶（LDH）活性。值得注意的是，在继发感染后，模型组和黄芩素组小鼠的促炎细胞因子水平受到抑制（表现为免疫抑制），而Ce-Be NZs处理能逆转这种免疫抑制，显示出平衡的抗感染和免疫调节作用。
6. 机制探索：Ce-Be NZs改善线粒体功能障碍与抑制铁死亡 * 线粒体功能： 透射电镜显示，脓毒症小鼠肝细胞线粒体膜破坏、嵴断裂，而Ce-Be NZs处理能显著改善这些损伤，增加线粒体数量。线粒体Na+-K+ ATP酶和Ca2+-Mg2+ ATP酶活性在脓毒症时下降，Ce-Be NZs能有效保留其活性。线粒体耗氧率（OCR）测定表明，Ce-Be NZs能显著上调脓毒症小鼠肝线粒体的基础呼吸和ATP耦联呼吸。 * 蛋白质组学分析： 对CLP组和Ce-Be NZs处理组小鼠肝脏线粒体进行蛋白质组学分析。KEGG和GO富集分析显示，Ce-Be NZs显著增强了与“铁离子结合”、“谷胱甘肽过氧化物酶活性”和“脂肪酸氧化”相关的通路。基因集富集分析（GSEA）进一步发现，Ce-Be NZs显著上调了铁蛋白重链1（Ferritin Heavy Chain-1， FTH1）的表达，FTH1是促进游离铁结合、维持细胞铁稳态的关键蛋白。 * 铁死亡抑制： 检测了铁死亡的关键标志物。结果显示，与CLP模型组相比，Ce-Be NZs处理显著降低了肝脏中的ROS、脂质过氧化终产物（4-HNE、MDA）以及铁离子（Fe2+/Fe3+）含量。同时，Ce-Be NZs能上调肝脏中铁死亡关键调控蛋白谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）和FTH1的表达，并提高谷胱甘肽（GSH）水平。 * 机制验证： 使用经典的铁死亡诱导剂FINO2进行预处理。结果显示，FINO2完全抵消了Ce-Be NZs对脓毒症小鼠生存率的改善作用，阻断了Ce-Be NZs对血浆ALT、LDH的降低效应，也逆转了Ce-Be NZs对肝组织GSH、GPX4和FTH1的上调作用。这直接证明了抑制铁死亡是Ce-Be NZs发挥治疗作用的关键机制。
7. 人类肝脏类器官模型验证： 为了在更接近人类的病理环境中验证疗效，研究构建了包含人胚胎干细胞（hESC）来源巨噬细胞的人源肝脏类器官（Human Liver-Derived Organoid）共培养模型，并用LPS刺激模拟脓毒症环境。结果表明，Ce-Be NZs能有效减轻类器官内的ROS产生和铁沉积，上调GPX4和FTH1表达，改善肝细胞功能（如促进白蛋白合成），并降低培养上清中的炎症因子（IL-1β， IL-6， TNF-α）和肝损伤标志物（ALT， LDH）。
8. 生物相容性与体内代谢： 体内毒性评估显示，注射Ce-Be NZs（10 mg/kg）后1天和7天，小鼠心、肝、脾、肺、肾的主要器官未见明显毒性，血液学参数和血浆生化指标均在正常范围内。溶血实验表明其在50-1000 μg/mL浓度范围内溶血率低于2%。药代动力学研究显示，Ce离子在注射后6小时血液浓度达峰，主要富集于肝脏，12小时后在肾脏富集，并在48小时内主要通过尿液排泄。
本研究在每个环节均获得了支撑其结论的关键数据： 1. 成功合成并表征了水溶性好、稳定性高的Ce-Be NZs。 2. 证实了Ce-Be NZs具有强大的抗氧化酶（SOD/CAT）模拟活性和广谱的非抗生素依赖的抗菌活性。 3. 在细胞水平证明Ce-Be NZs能清除ROS并抑制LPS诱导的巨噬细胞M1型极化及炎症因子释放。 4. 在两种脓毒症小鼠模型中，Ce-Be NZs展现出多靶点治疗功效： 包括提高生存率、改善微循环、纠正免疫失调（促进M1向M2巨噬细胞转化）、减轻肝/肺等器官损伤。 5. 机制上揭示了Ce-Be NZs通过促进线粒体FTH1表达，抑制铁死亡并改善线粒体功能障碍，从而发挥肝脏保护作用的核心路径。 蛋白质组学数据和FINO2阻断实验为这一机制提供了直接证据。 6. 在更具临床相关性的人源肝脏类器官模型中验证了Ce-Be NZs的抗铁死亡和细胞保护作用。 7. 证明了Ce-Be NZs具有良好的生物相容性和可接受的体内代谢特征。
这些结果层层递进，从材料基础功能（抗氧化、抗菌）到体外细胞效应（抗炎），再到复杂的体内动物模型疗效验证，最终深入探究并证实了其作用的关键分子机制（线粒体-FTH1-铁死亡轴），并在人源化模型中得到支持，构成了一个逻辑严密、证据链完整的科学研究体系。
本研究成功开发了一种基于天然产物黄芩素和铈离子的多功能杂化纳米酶（Ce-Be NZs）。该材料集广谱抗菌（非抗生素依赖）、ROS清除、抗氧化酶模拟（SOD/CAT）、免疫调节（巨噬细胞表型转换）和器官保护（抑制铁死亡） 等多种功能于一体，能够同步靶向脓毒症病理过程中的多个关键环节——感染、炎症和器官损伤。
其科学价值在于： 1. 提供了一种通过金属-多酚配位策略显著提高难溶性天然产物生物利用度和功能活性的成功范例。 2. 阐明了Ce-Be NZs通过上调线粒体FTH1表达，进而抑制铁死亡和改善线粒体功能障碍，从而缓解脓毒症肝损伤的新机制，深化了对脓毒症器官损伤中“线粒体-铁死亡”轴相互作用的理解。 3. 综合运用了从分子、细胞、动物到人源类器官的多层次模型，系统验证了纳米材料的疗效与机制，研究方法具有示范性。
其应用价值在于： 1. 为脓毒症这一临床难题提供了一种有前景的、可避免抗生素滥用及耐药性问题的多靶点协同治疗新策略。 2. 所开发的Ce-Be NZs具有良好的生物相容性和稳定性，为其未来的临床转化奠定了基础。 3. 该策略可能为治疗其他具有类似“感染-炎症-损伤”病理特征的传染性疾病提供新思路。
研究团队在文末也指出了本研究的局限性：尽管明确了Ce-Be NZs能同时改善线粒体功能和抑制铁死亡，但两者之间的直接因果机制尚未完全阐明。即，Ce-Be NZs是通过改善线粒体功能来抑制铁死亡，还是通过抑制铁死亡来保护线粒体，或是独立作用于两个并行通路？这为未来的深入研究指明了方向。
这项研究代表了一种将纳米技术、天然产物化学和疾病病理生理学深度融合的成功尝试，为开发针对复杂疾病的多靶点纳米药物提供了宝贵的理论依据和实践经验。