一种动态响应ROS（Robot Operating System）的可注射水凝胶，其中含有纳米酶，用于通过缓解氧化应激和神经元铁死亡来修复脊髓

《Biomaterials》：Dynamic ROS-responsive injectable hydrogel incorporating nanozymes for spinal cord repair by alleviating oxidative stress and neuronal ferroptosis

脊髓损伤后铁死亡介导的次生损伤通过可注射的ROS响应性复合水凝胶（CeO2@OPP）实现多靶点治疗，其核心机制包括动态硼酸酯交联水凝胶的即时止血与机械固定，以及CeO2纳米酶在ROS触发下可控释放，协同螯合钙离子、清除自由基并抑制铁死亡级联反应。体内实验证实该水凝胶促进神经再生和突触重塑，显著改善运动功能。

　　

李赵|张策|李金青|郭一健|孟佳|尹永成|刘文静|康建宁|江彦彦|宁斌

山东大学济南中心医院，中国山东省济南市250013

摘要

脊髓损伤（SCI）后的继发性损伤是导致神经功能障碍的关键因素，但目前仍缺乏有效的临床干预措施。在这项研究中，我们开发了一种可注射的、对活性氧（ROS）具有响应性的复合水凝胶（CeO₂@OPP），该水凝胶由嵌入氧化海藻酸/聚乙烯醇基质中的氧化铈（CeO₂）纳米酶组成，通过动态硼酸酯键交联。这种水凝胶具有优异的粘附性，能够有效减轻局部出血并防止受损细胞中的病理性铁积累。值得注意的是，该水凝胶可以通过ROS触发的水凝胶降解实现CeO₂纳米酶的按需释放，从而持续清除ROS并缓解损伤微环境中的氧化应激。同时，水凝胶基质的螯钙能力可以减轻兴奋性毒性应激并恢复线粒体功能。这些过程共同作用，通过抑制神经细胞的铁死亡（ferroptosis）实现自我治疗。在小鼠SCI模型中，CeO₂@OPP治疗促进了神经再生和突触重塑，最终显著改善了运动功能。这一简单且生物相容性的治疗平台为拦截SCI后的铁死亡相关继发性损伤提供了一种有针对性的策略，为中枢神经系统修复的转化医学干预提供了有前景的方法。

引言

脊髓损伤（SCI）是对中枢神经系统的一种灾难性创伤，会导致损伤部位以下的严重运动功能障碍，并可能引发危及生命的并发症[1,2]。SCI的病理进程具有时间动态性，分为两个阶段：首先是原发性机械损伤导致的不可逆的神经破坏，随后是加剧神经退化的继发性损伤级联[3,4]。SCI的这种阶段性特点突显了早期干预的重要性，尤其是针对继发性阶段的干预，以保护残余的神经功能并改善长期预后[5]。

继发性损伤是一个延迟的、渐进的、持续存在的病理过程。这一过程涉及缺血反应、氧化应激、离子失衡、线粒体功能障碍和神经炎症，最终导致细胞死亡[6,7]。近年来，铁死亡被确认为一种与继发性损伤密切相关的调控性细胞死亡形式。其特征是铁过载诱导的毒性脂质过氧化（LPO），并伴有线粒体形态变化[8,9]。由于神经细胞磷脂膜中含有大量的多不饱和脂肪酸残基，且其清除活性氧（ROS）的能力有限，因此它们容易受到氧化应激的影响[10]。在SCI的急性期，会产生大量ROS；同时，局部出血会导致损伤部位的铁水平迅速升高。这种铁过载进一步促进ROS的积累，最终诱导神经细胞的铁死亡[11,12]。然而，目前针对铁死亡的干预措施主要局限于作用于铁代谢或氧化还原信号通路单个组分的小分子抑制剂[13]。全身给药在特异性方面存在挑战，限制了其临床效果。因此，迫切需要开发能够在损伤部位局部且持续调节与铁死亡相关关键病理过程的新治疗策略。

具有ROS清除特性的纳米酶因其显著的催化效率和稳定性而受到关注。其中，氧化铈纳米颗粒（CeO₂ NPs）因其多种酶模拟活性而脱颖而出，包括类似超氧化物歧化酶（SOD）的活性、类似过氧化氢酶（CAT）的活性以及清除羟基自由基（•OH）的能力[14,15]。这些独特性质源于纳米颗粒表面Ce³⁺和Ce⁴⁺离子之间的动态氧化还原循环，使其在生理条件下具有持续的催化活性，并具有内在的自我再生能力[16]。除了氧化调节作用外，CeO₂纳米酶还被证明可以抑制M1型巨噬细胞的极化，减轻局部炎症反应，从而减少炎症细胞因子的释放[17]。此外，CeO₂纳米酶不会释放游离的铈离子，并表现出优异的长期生物相容性，使其成为神经保护的理想选择[18]。然而，单一组分纳米酶系统存在局限性，如由于损伤部位的血管渗漏而快速清除、突然释放、免疫识别以及无法充分应对SCI的多方面病理问题（包括止血、钙过载和神经再生）[19,20]。这些局限性突显了开发具有延长保留时间、可控ROS清除能力和多功能协同治疗效果的先进治疗系统的迫切需求。

水凝胶由于其优异的生物相容性和模拟细胞外基质的结构，为治疗剂的控制和持续释放提供了理想的平台[21]。其可调的机械性能使其能够无缝整合到不规则的损伤部位，形成直接与SCI区域接界的原位生物支架[22]。特别是，响应刺激的水凝胶因其在SCI微环境中对病理信号作出时空可控的药物释放能力而受到越来越多的关注[23]。升高的ROS水平可以选择性切割动态共价键（如Schiff碱和硼酸酯键），从而诱导水凝胶降解并促进治疗剂的精确释放[24,25]。此外，某些水凝胶的天然组织粘附性可以通过形成机械屏障和激活凝血途径来实现有效的伤口密封和快速止血，这在SCI治疗的急性期尤其有益[26]。

在这项研究中，我们开发了一种用于SCI急性期治疗的可注射的、对ROS具有响应性的复合水凝胶（CeO₂@OPP）（图1）。该水凝胶网络是通过苯硼酸（PBA）接枝的氧化海藻酸钠（OSA）与聚乙烯醇（PVA）之间的动态交联构建的，并掺入了超小的CeO₂ NPs以实现局部抗氧化治疗。作为基础聚合物的海藻酸钠（SA）具有螯合异常金属离子（如Ca²⁺）的能力，可以抑制细胞内离子过载[27]。SA的氧化产生了醛基，这有利于PBA的接枝[28]。由此产生的OSA-PBA骨架形成了可逆的硼酸酯键和氢键，使得在生理条件下无需外部刺激即可快速原位自交联。将其施用于损伤部位后，该水凝胶表现出强烈的组织粘附性，提供即时的物理密封和止血效果。在损伤微环境中ROS水平升高时，硼酸酯的断裂触发了CeO₂ NPs的受控释放，这些纳米颗粒扩散到深层损伤区域以精确调节氧化应激。体外实验表明，该水凝胶能有效清除ROS，减少LPO，并抑制铁死亡级联反应。体内研究表明，它显著增强了SCI小鼠的运动恢复能力和神经信号传导。这一多功能平台结合了响应性药物释放、机械密封和多靶点神经保护功能，为SCI修复提供了一种有前景且多用途的策略。

CeO₂ NPs的合成与表征

抗氧化剂CeO₂ NPs是通过多元醇介导的溶剂热法[29]合成的。透射电子显微镜（TEM）显示其颗粒呈均匀球形，平均大小为5.58纳米（图1A和图S1）。高分辨率TEM（HR-TEM）显示晶格间距为0.314纳米，对应于CeO₂的（111）晶面（图1B）。元素映射和能量分散X射线光谱（EDS）证实了Ce和O的均匀分布，验证了合成的成功（图1C和

讨论

SCI的特点是一个复杂且级联的病理过程，涉及多种相互关联的病理事件，如氧化应激、铁过载、神经炎症和兴奋性毒性。现有的临床治疗方法和先进干预策略仍存在一定的局限性。临床管理主要依赖于受伤后8小时内的手术减压和高剂量糖皮质激素给药。前者仅能缓解机械压迫，但

结论

本文证明了多功能CeO₂@OPP复合水凝胶是一种创新的SCI修复转化医学策略。通过整合多病理靶向性和ROS响应性释放机制，该水凝胶能够有效重塑损伤后的不良微环境。体内数据验证了其发挥神经保护作用、促进突触和神经网络重塑以及恢复运动功能的能力。该水凝胶表现出协同干预效果

CRediT作者贡献声明

李赵：撰写初稿、验证、资金获取、正式分析、数据管理。张策：撰写初稿、可视化处理、验证、数据管理。李金青：验证、实验研究。郭一健：验证、数据管理。孟佳：实验研究、数据管理。尹永成：验证、软件应用。刘文静：可视化处理、数据管理。康建宁：软件应用、正式分析。江彦彦：撰写、审稿与编辑、监督、方法学设计、资金申请

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：82071383、82371392）、山东省泰山学者计划（编号：tsqn202408355、tstp20231257）、山东省自然科学基金（重点项目）（编号：ZR2020KH007）、深圳市基础研究计划（编号：JCYJ20240813100915021）以及山东省博士后创新计划（编号：SDCX-ZG-202503138）的财政支持。