镓掺杂MXene纳米酶通过多死亡通路阻断与肝细胞再生实现肝脏保护

《Advanced Science》：Gallium-Doped MXene Nanozymes Protect Liver Through Multi-Death Pathway Blockade and Hepatocyte Regeneration

本研究开发了镓掺杂V2C MXene纳米酶（Ga-V2C），通过多酶模拟活性（SOD/POD/GPx/CAT）实现对乙酰氨基酚肝损伤（AILI）的多靶点治疗。该纳米酶不仅能同步阻断氧化应激（ROS/JNK/Nrf2/HO-1）、凋亡（Bcl-2/Bax）和铁死亡（SLC7A11/FTH1/FTL1）三条关键死亡通路，还可激活Wnt/βCAT通路及细胞周期驱动因子（CCND1/MYC/PCNA）促进肝再生，显著优于临床一线药物N-乙酰半胱氨酸（NAC），为复杂病理机制干预提供了新范式。

　　

1 引言

对乙酰氨基酚（APAP）过量引发的肝损伤（AILI）是全球急性肝衰竭的主要病因，其病理机制涉及多维度交叉对话的细胞死亡网络。APAP代谢产物NAPQI耗竭谷胱甘肽（GSH）触发氧化应激，进而激活c-Jun N末端激酶（JNK）磷酸化，加剧线粒体功能障碍和坏死性凋亡。研究表明，氧化应激与程序性死亡网络（凋亡、铁死亡）存在动态互作，而临床常用解毒剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）虽能缓解氧化应激，却无法协同调控多死亡通路或促进组织再生。本研究提出“防御-再生”双效策略，通过将治疗性金属镓掺杂至V₂C MXene纳米酶中，构建兼具持续抗氧化、多通路调控和促再生功能的Ga-V₂C纳米酶，以解决AILI复杂病理挑战。

2 结果与讨论

2.1 Ga-V₂C MXene纳米酶的制备与表征

通过锂氟化物（LiF）和盐酸（HCl）选择性蚀刻V₂AlC MAX相中的铝层，经超声剥离获得单层/少层V₂C纳米片，再通过热烧结将镓掺杂至纳米片表面。动态光散射（DLS）显示Ga-V₂C与V₂C具有相似的负表面电荷和约400纳米流体动力学直径。原子力显微镜（AFM）和透射电镜（TEM）证实纳米酶为厚度约2纳米的层状结构，高分辨TEM显示其保留高度结晶性。能量色散谱（EDS）映射显示V、C、Ga、O元素均匀分布，X射线光电子能谱（XPS）证实Ga以Ga³⁺形式存在，ICP-OES测得镓负载量达26.1%。

2.2 多酶模拟活性分析

Ga-V₂C纳米酶在生理条件下展现超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和过氧化氢酶（CAT）四种酶模拟活性。SOD样活性通过WST-1法测定，半数抑制浓度（IC₅₀）为73.6微克/微升；POD样活性以TMB为底物显示米氏常数（K_M）为0.80毫摩尔/升，最大反应速率（V_max）为2.49×10^?7摩尔/秒；GPx样活性通过NADPH氧化还原反应验证；CAT样活性通过溶解氧监测显示K_M为19.67毫摩尔/升，V_max为0.07摩尔/秒。多酶协同作用可全面清除AILI中的活性氧（ROS）。

2.3 体内外保护功效评估

细胞实验表明Ga-V₂C可被Hep G2细胞和HUVEC高效内化。小鼠尾静脉注射后，ICP-MS显示纳米酶4小时内在肝脏和肺部快速富集，并在肝脏滞留达28天。APAP造模后，Ga-V₂C治疗组血清ALT/AST水平显著低于NAC组，肝组织病理损伤面积最小，且800毫克/千克APAP攻击下生存率显著提升。

2.4 氧化应激缓解机制

Ga-V₂C通过清除ROS抑制JNK磷酸化，并激活Nrf2/HO-1通路增强内源性抗氧化防御。Western blot显示治疗组p-JNK下调，Nrf2/HO-1/SOD1/GPX4表达上调，ELISA检测到炎症因子TNF-α和IL-1β水平下降。镓离子（Ga³⁺）通过竞争性抑制铁离子（Fe³⁺）结合转铁蛋白，减少Fenton反应产生的·OH，进一步增强抗氧化能力。

2.5 凋亡与铁死亡抑制机制

流式细胞术和TUNEL染色显示Ga-V₂C显著降低APAP诱导的细胞凋亡。Western blot证实其通过恢复Bcl-2/Bax平衡并抑制C-caspase-3激活阻断凋亡通路。同时，纳米酶降低脂质过氧化物（LPO）和4-羟基壬烯酸（4-HNE）水平，上调铁死亡抑制蛋白SLC7A11、FTH1和FTL1表达。透射电镜观察到治疗组线粒体嵴结构恢复，肝脏铁含量检测显示Ga-V₂C通过镓竞争性拮抗铁代谢有效抑制铁死亡。

2.6 肝细胞再生促进作用

细胞克隆形成实验表明Ga-V₂C显著促进Hep G2增殖。Western blot和免疫组化显示治疗组Wnt/βCAT通路磷酸化水平升高，细胞周期驱动因子CCND1、MYC和增殖细胞核抗原（PCNA）表达上调，Ki-67阳性细胞数增加。镓的促再生特性与MXene结构协同激活增殖相关信号通路，营造肝再生微环境。

2.7 生物安全性验证

细胞毒性实验显示Ga-V₂C对Hep G2和HUVEC存活率无显著影响。小鼠长期毒性实验表明主要器官无病理损伤，肝功能（ALT/AST）、肾功能（Cr/BUN）及心肌酶（LDH）指标均正常，证实其良好生物相容性。

3 结论

Ga-V₂C MXene纳米酶通过多酶模拟活性、多死亡通路协同阻断和肝再生促进功能，实现对AILI的高效治疗。其独特镓掺杂策略为纳米酶在复杂疾病多靶点治疗中的应用开辟新途径。