基于共价有机框架的仿生纳米平台的原位工程化设计，用于阿尔茨海默病的多靶点治疗

《Biomaterials Advances》：In-situ engineering of a covalent organic framework-based biomimetic nanoplatform for multi-target therapy of Alzheimer's disease

阿尔茨海默病（AD）纳米平台通过共价有机框架（TD-COF）与钯纳米粒子（PdNPs）的原位工程结合，并经红细胞膜包覆（Pd-COF-RBC），实现Cu2+螯合、Aβ纤维抑制及ROS清除三重功能。体外实验显示其CAT样活性提升34.7%，细胞存活率提高78.4%；体内实验验证了其脑靶向性、长循环特性及对AD模型线虫运动和认知功能的显著改善（瘫痪时间延长37.3%，趋性指数接近野生型）。该研究为AD复杂病理网络的多靶点干预提供了新策略。

　　

颜玉娇|陈玉彤|杨凤梅|赵瑞鑫|田笛|邓丽然|谢梦

江苏大学药学院，中国江苏省镇江市，212013

摘要

为了解决阿尔茨海默病（AD）的复杂病理机制，包括异常的β-淀粉样蛋白（Aβ）聚集、金属离子稳态失衡和氧化应激，我们开发了一个集成的多功能纳米平台。该平台利用了一种共价有机框架（TD-COF），其本身具有螯合Cu²⁺和抑制Aβ的能力作为载体。通过原位工程改造，将超细钯纳米粒子（PdNPs）固定在框架上，构建了一个稳定且功能集成的核心（Pd-COF）。然而，由于纳米材料存在半衰期短和脑部靶向性差等局限性，我们进一步采用了红细胞（RBC）膜进行仿生修饰，最终得到了Pd-COF-RBC平台。体外实验表明，Pd-COF-RBC同时实现了Cu²⁺的螯合、Aβ纤维化的抑制以及活性氧（ROS）的清除。值得注意的是，Pd-COF的设计还调节了PdNPs的大小和分散性，使其过氧化氢酶样（CAT）活性提高了34.7%。在Aβ诱导的细胞模型中，该材料有效缓解了氧化应激和线粒体功能障碍，细胞存活率提高了78.4%以上。进一步实验确认，经过RBC膜修饰的Pd-COF-RBC具有良好的生物相容性、长循环能力和脑部积累能力。基于这些发现，我们在转基因AD线虫（C. elegans）模型中评估了其治疗潜力。结果显示，线虫的运动和认知功能显著恢复，平均瘫痪时间延长了约37.3%，趋化指数恢复到接近野生型水平。因此，这项研究为通过原位工程和仿生修饰的集成策略，针对AD的复杂病理网络提供实验证据。

引言

阿尔茨海默病（AD）是老年人痴呆的主要原因，其特征是进行性的记忆丧失和认知障碍[1]、[2]。AD的复杂发病机制并非由单一因素驱动，而是涉及多个相互交织和自我强化的病理过程，包括β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积、tau蛋白病变、金属离子积累、氧化应激和慢性神经炎症。其中，Aβ肽由β-分泌酶（BACE1）和γ-分泌酶从淀粉样前体蛋白（APP）中依次切割产生。清除能力受损导致它们聚集成神经毒性寡聚体、纤维和老年斑[3]、[4]。值得注意的是，包括铜、铁和锌在内的多种金属离子可以直接与Aβ结合，加速其纤维化并加剧神经毒性[5]。更重要的是，Aβ病理与氧化应激和神经炎症形成了恶性循环。Aβ-Cu²⁺复合物催化产生活性氧（ROS），包括超氧阴离子（·O₂^?）、过氧化氢（H₂O₂）和羟基自由基（·OH），最终导致线粒体功能障碍和氧化损伤[6]、[7]。随后，受损的线粒体会释放损伤相关分子模式（DAMPs），激活小胶质细胞，促使它们转变为促炎表型（M1），并释放炎症细胞因子[8]、[9]。同时，这些炎症因子和ROS共同上调BACE1和γ-分泌酶，从而促进APP的Aβ处理，推动AD的不可逆进展[10]、[11]。这种复杂性限制了传统单靶点治疗策略的效果[12]、[13]。

近年来，纳米技术的快速发展使得针对这一病理网络的多靶点治疗成为可能[14]、[15]、[16]。在各种纳米材料中，共价有机框架（COFs）具有可设计的晶体多孔结构、优异的生物相容性和易于功能化的特点，在抑制Aβ聚集和螯合金属离子方面显示出潜力[17]、[18]、[19]。同时，钯纳米粒子（PdNPs）因其内在的抗氧化酶样活性而在清除ROS方面具有明显优势[20]。然而，大多数研究集中在这两种材料的物理化学应用上，如催化氢化和还原反应[21]、[22]、[23]。目前，尚未有研究将它们结合起来开发用于治疗复杂脑部疾病的多功能纳米平台。此外，现有策略仍存在局限性，因为COFs通常仅作为具有单一功能的药物载体使用，其内在功能尚未得到充分探索[24]、[25]。同样，通过传统方法合成的PdNPs存在体积较大、容易聚集和活性位点暴露不足等问题[26]。面对复杂的病理微环境时，大多数研究缺乏功能模块的有效整合。众所周知，由于各组分的代谢差异，配方混合策略难以在目标部位实现同步的有效浓度，从而无法在复杂的体内环境中确保同步作用[27]。为了解决这些问题，构建一个用于共输送多种功能组分的集成结构纳米平台是关键策略[28]、[29]。

因此，本研究旨在开发一个功能集成的纳米平台。首先，采用原位工程策略将PdNPs固定在COF框架上，构建了一个稳定的Pd-COF复合材料。这种设计不仅能够减轻PdNPs的聚集，还能通过COF框架有效调节其大小，为其催化活性提供结构基础。同时，它还能实现金属螯合、Aβ抑制和抗氧化功能的稳定整合，为多靶点干预AD病理网络奠定基础。然而，这种多功能核心的体内应用面临多个挑战，如易被免疫系统识别和清除，以及难以有效穿过血脑屏障（BBB），这限制了其在脑损伤区域的靶向积累[30]。研究表明，使用内源性细胞膜进行仿生修饰可以赋予纳米粒子生物特性[31]、[32]、[33]。特别是红细胞（RBC）膜因其易于提取、优异的生物相容性和通过表面CD47蛋白促进免疫逃逸的能力而成为理想选择[34]。因此，在本研究中，我们将RBC膜创新性地包裹在Pd-COF复合材料上，得到了钯-共价有机框架-红细胞膜（Pd-COF-RBC）。这种仿生修饰使得PdNPs和COF功能模块能够同步高效地输送到脑部病变区域。

总结来说，我们开发的纳米平台（Pd-COF-RBC）结合了COF组分的金属螯合和Aβ抑制功能以及PdNPs的抗氧化能力。通过RBC膜的修饰，实现了双功能模块在脑损伤部位的同步富集。在病变部位，COF组分螯合Cu²⁺以抑制Aβ聚集并分解现有纤维。同时，PdNPs模拟SOD/CAT酶活性，有效清除ROS，从而缓解氧化应激和神经炎症。这种集成的功能输送为多靶点干预AD的复杂病理网络提供了有希望的途径（图1）。

TD-COF的制备

称量TPB（49.2 mg）、DMTP（42.7 mg）和PVP（分子量=8000，50 mg），并将其超声分散在50 mL乙腈（ACN）中。加入2.5 mL冰醋酸后，混合物在室温下反应12小时，然后用2 μL苯甲醛淬灭，再搅拌1小时。通过离心收集黄色沉淀物，依次用ACN和乙醇洗涤，并在80°C下真空干燥5小时。材料详情和表征方法见

表征

通过改进现有方法[35]，我们使用室温溶剂技术合成了TD-COF。随后，采用原位生长策略将PdNPs固定在COF表面，成功制备了Pd-COF复合材料。最后，通过超声处理结合等温孵育实现了RBC膜的包裹，得到了Pd-COF-RBC复合体系。首先，通过多种方法确认了TD-COF的成功合成和结构特征

结论

在本研究中，我们通过结合原位工程策略和仿生修饰，成功构建了一个多功能纳米平台Pd-COF-RBC，实现了多种功能，包括Aβ抑制、Cu²⁺螯合和抗氧化活性。此外，COF框架有效分散了PdNPs并优化了催化活性。进一步用RBC膜进行仿生修饰不仅提高了平台的生物相容性和胶体稳定性，还增强了

CRediT作者贡献声明

颜玉娇：撰写——原始草稿、方法学、实验研究、数据分析、概念化。陈玉彤：项目管理、方法学、实验研究。杨凤梅：项目管理、数据分析。赵瑞鑫：项目管理、方法学。田笛：方法学。邓丽然：数据分析。谢梦：撰写——审稿与编辑、监督、资源提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了镇江市社会发展项目（SH2025034）和镇江市基础研究项目（JC2025039）的支持。作者还感谢BioRender.com在制作图形摘要和示意图方面的协助。

颜玉娇是江苏大学药学院的药学硕士生，在副教授谢梦的指导下进行研究。她的研究重点是功能化共价有机框架（COF）纳米药物的合理设计和可控合成，旨在为阿尔茨海默病等神经退行性疾病开发智能药物输送系统。