基于单宁酸-铁复合物纳米酶通过缓解氧化应激和神经炎症改善帕金森病的研究报告

作者与发表信息

本项研究由Wenya He、Mengyao Liu、Tongyu Zhang等作者共同完成，通讯作者为Bingyang Shi和Yan Zou。研究成果发表于ACS Nano期刊，于2025年9月3日被接受发表，DOI号为10.1021/acsnano.5c07601。

学术背景

帕金森病（Parkinson’s disease, PD）是第二常见的神经退行性疾病，主要特征为多巴胺能神经元损失和运动功能障碍。目前临床治疗手段（如左旋多巴化疗和手术干预）仅能有限缓解症状，无法阻止疾病进展。研究表明，氧化应激（oxidative stress, OS）和神经炎症在PD发病机制中形成恶性循环，加速疾病进程。因此，开发能同时缓解OS和神经炎症的治疗策略具有重要意义。

近年来，纳米酶（nanozyme）因其类酶催化活性、低成本、高稳定性等优势，在神经退行性疾病治疗中受到关注。然而，现有无机纳米酶存在制备复杂、不可生物降解等问题。本研究开发了一种基于单宁酸（tannic acid, TA）-铁（Fe）复合物的纳米颗粒（BSA/Fe-TA NPs），利用其多酶活性清除活性氧/氮（reactive oxygen/nitrogen species, RONS），并通过调节小胶质细胞极化减轻神经炎症，为PD治疗提供了新策略。

研究流程

1. 纳米颗粒设计与合成

BSA/Fe-TA NPs通过以下步骤制备：
1. BSA-Fe³⁺复合物形成：将Fe³⁺加入牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA）溶液，通过氨基酸残基（-COOH、-NH₂、-SH）与Fe³⁺配位形成复合物。
2. TA引入与自组装：向BSA-Fe³⁺溶液中滴加TA，TA与Fe³⁺配位并通过疏水作用、氢键等非共价力驱动自组装成纳米颗粒（平均直径15 nm）。
3. 结构表征：通过透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线吸收近边结构（XANES）等证实了铁原子以单分散形式存在，形成类似天然酶（如辣根过氧化物酶HRP）的催化中心。

2. 纳米酶活性验证

BSA/Fe-TA NPs表现出广谱类酶活性，包括：
- 超氧化物歧化酶（SOD）活性：清除超氧阴离子（•O₂⁻）。
- 过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性：分解H₂O₂生成H₂O和O₂。
- 谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）活性：利用还原型谷胱甘肽（GSH）催化H₂O₂还原。
- 抗坏血酸过氧化物酶（APx）和硫醇过氧化物酶（TPx）活性：在抗坏血酸或半胱氨酸存在下分解H₂O₂。
通过电子自旋共振（ESR）和荧光探针实验证实其对ROS和RNS（如NO、ONOO⁻）的高效清除能力。

3. 血脑屏障穿透与细胞靶向

• 体外BBB模型：使用bEnd.3细胞构建血脑屏障（BBB）模型，BSA/Fe-TA NPs的跨BBB转运率为41%（24小时）。
  
• 机制研究：通过小窝介导的内吞（caveolae-mediated endocytosis）和SPARC（分泌型酸性富含半胱氨酸蛋白）受体途径实现BBB穿透，并在神经元和小胶质细胞中富集。
  
• 体内分布：静脉注射后，纳米颗粒在小鼠脑部（尤其是纹状体和黑质区）显著积累，并通过免疫荧光证实其与神经元（TH⁺）和小胶质细胞（Iba-1⁺）共定位。
  

4. 体外神经保护与抗炎效果

• 神经元保护：在MPTP（1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶）诱导的PD细胞模型中，BSA/Fe-TA NPs显著降低ROS水平、恢复线粒体膜电位，并抑制caspase-3/9激活，减少细胞凋亡。
  
• 小胶质细胞极化调节：在LPS或H₂O₂刺激下，纳米颗粒促进小胶质细胞向抗炎M2表型（CD206⁺）极化，降低促炎因子（IL-6、IL-1β）分泌，增加抗炎因子IL-10表达。
  

5. 体内PD模型治疗

• 行为学改善：在MPTP诱导的PD小鼠模型中，BSA/Fe-TA NPs治疗显著提高运动协调性（转棒测试）、缩短攀爬时间（杆测试），并改善空间记忆（Morris水迷宫）。
  
• 病理学缓解：纳米颗粒治疗组小鼠黑质区酪氨酸羟化酶（TH）表达恢复，α-突触核蛋白（α-syn）沉积减少，氧化损伤标志物MDA水平下降。
  
• 神经炎症抑制：治疗组小鼠脑内小胶质细胞激活（Iba-1⁺）减少，M2表型（CD206⁺）比例增加，血清中IL-6和IL-1β水平降低。
  

6. 生物安全性与降解

• 生物降解性：临床铁螯合剂去铁胺（deferoxamine, DFO）可破坏Fe-TA配位键，促进纳米颗粒在体内降解，加速肝脏清除（尿液中Fe含量增加）。
  
• 安全性验证：组织病理学和血液生化分析未显示毒性反应，表明其良好的生物相容性。
  

主要结果与逻辑关联

1. 纳米酶活性数据（如SOD、CAT活性）为后续细胞和动物实验的抗氧化效果提供了机制基础。
   
2. BBB穿透能力解释了纳米颗粒为何能在脑部病灶富集，从而直接作用于神经元和小胶质细胞。
   
3. 体外神经保护与抗炎数据（如凋亡蛋白减少、M2极化）与体内行为学和病理改善结果一致，形成完整的证据链。
   

结论与价值

1. 科学价值：首次报道了基于TA-Fe复合物的纳米酶通过多酶活性同步缓解OS和神经炎症的PD治疗策略，揭示了单原子铁催化中心的类酶机制。
   
2. 应用价值：BSA/Fe-TA NPs制备简单、可规模化生产，且可通过DFO降解，解决了传统无机纳米酶不可生物降解的难题，具有临床转化潜力。
   
3. 拓展意义：该策略或可应用于其他以OS和神经炎症为特征的疾病（如阿尔茨海默病、缺血性卒中）。
   

研究亮点

1. 创新性设计：将天然抗氧化剂TA与单原子铁催化中心结合，兼具抗氧化和抗炎功能。
   
2. 多酶活性：一种纳米颗粒同时模拟6种天然酶活性，远超现有纳米酶。
   
3. BBB穿透机制：利用BSA的SPARC受体和小窝内吞途径实现高效脑靶向。
   
4. 临床兼容性：DFO辅助降解的设计为纳米药物安全性提供了新思路。
   

其他有价值内容

• 结构表征的深度：通过HAADF-STEM和EXAFS拟合明确了铁中心的五配位结构，为类酶活性提供了原子级解释。
  
• 双模型验证：同时使用MPTP细胞模型和小鼠PD模型，增强了结论的可靠性。
  
• 动态清除能力：纳米颗粒在细胞内外的RONS清除数据为其在复杂微环境中的有效性提供了直接证据。
  

（报告总字数：约2000字）