多功能硒纳米平台：协同抑制铁死亡并重塑口腔黏膜炎的免疫微环境

《Biomaterials》：Multifunctional selenium nanoplatforms for synergistic ferroptosis inhibition and immune microenvironment remodeling in oral Mucositis

铁死亡驱动口腔黏膜炎进展，与硒代谢紊乱及GPX4表达下降相关。通过临床样本分析及机制验证，发现脂质过氧化引发上皮细胞死亡，激活炎症。开发聚多巴胺修饰硒纳米颗粒（PST-SeNPs），增强黏膜粘附与渗透，同步抑制铁死亡（恢复GPX4活性）、缓解氧化应激、调节巨噬细胞极化，打破“氧化应激-铁死亡-炎症放大”恶性循环，显著促进黏膜修复。

　　

秦欧阳|高润伟|李思思|梁俊豪|李佩|周文虎

中南大学湘雅药学院，中国湖南长沙，410013

摘要

口腔黏膜炎（OM）是一种常见的炎症性疾病，其特征是上皮屏障破坏、炎症失控以及黏膜修复能力受损。尽管OM的组织微环境复杂，且由多种相互关联的病理过程驱动，但目前的治疗方法主要关注单一因素，这限制了治疗效果。通过临床样本分析和机制验证，我们发现铁死亡（ferroptosis）是OM进展的关键驱动因素。研究发现，硒代谢紊乱和谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）表达下降会促进脂质过氧化和上皮细胞死亡。为了解决这一问题，我们开发了一种聚（5-羟色胺）功能化的硒纳米颗粒系统（PST-SeNPs），该系统具备黏膜黏附、抗氧化和免疫调节功能。PST-SeNPs在口腔溃疡区域表现出强烈的黏膜黏附能力和深层组织渗透能力。从机制上看，该系统通过恢复GPX4活性、减轻氧化应激以及调节巨噬细胞向抗炎表型极化，从而重建了上皮和免疫微环境。体外和体内实验表明，PST-SeNPs能有效逆转“氧化应激–铁死亡–炎症”的病理循环，加速黏膜愈合，并显著改善治疗效果，优于传统的硒制剂。本研究揭示了硒代谢失衡和铁死亡在OM进展中的关键作用，并提出了一种能够同时作用于上皮和免疫微环境的集成纳米平台。

引言

口腔黏膜炎（OM）是一种常见的口腔黏膜炎症性疾病，其原因包括放疗、化疗、感染、药物过敏和机械损伤等[1]、[2]。该病在老年人和免疫功能低下的人群中发病率较高，不仅影响原发病的治疗，还显著降低患者的生活质量[3]、[4]、[5]。OM的核心病理特征是持续的黏膜上皮屏障损伤和无法控制的局部炎症，临床表现包括红斑、水肿、糜烂和溃疡[6]、[7]。这些病变常导致剧烈疼痛、吞咽困难以及营养摄入不足，还可能使患者易发生继发感染，给临床管理带来挑战[8]、[9]。目前OM的治疗策略主要集中在症状缓解或针对具体病因的治疗上，如使用抗菌剂、黏膜保护剂、止痛药或促进上皮修复的药物[10]、[11]。然而，这些单一目标的治疗方法往往效果有限，因为它们无法同时调节OM背后的复杂病理过程，导致疾病复发和慢性化。因此，开发一种综合治疗策略是克服OM治疗瓶颈的迫切需求。

改善OM治疗的关键在于针对疾病的根本病理机制。OM的复杂病理过程可以概念性地分为两个相互依赖的方面[11]、[12]、[13]：（1）黏膜上皮细胞的直接损伤和死亡；（2）局部免疫微环境的持续失调。这两个方面形成了“种子–土壤”的关系：上皮损伤为炎症提供了“种子”，而失调的免疫微环境则为病变扩张提供了“土壤”，共同阻碍了黏膜修复。越来越多的证据表明，氧化应激和免疫失衡通过促进活性氧（ROS）和促炎细胞因子的释放，加剧了上皮损伤和炎症反应[14]、[15]、[16]。然而，这些病理过程之间的分子相互作用——尤其是氧化损伤与免疫信号传导之间的相互作用——尚未完全明了。因此，传统的单一疗法（如抗氧化剂[17]（如N-乙酰半胱氨酸、超氧化物歧化酶）、抗炎剂[18]（如地塞米松、TNF-α抑制剂）和抗细胞死亡剂[19]（如Ferrostatin-1）未能取得持久的效果。这些方法主要针对症状而非根本的病理网络。因此，构建一个能够同时调节上皮细胞存活（“种子”）和免疫微环境平衡（“土壤”）的集成治疗平台已成为推进OM治疗的必然方向。

在本研究中，我们首次确定铁死亡是口腔黏膜炎症中程序性细胞死亡网络的关键驱动因素。铁死亡是一种依赖铁的调控性细胞死亡形式，其特征是脂质过氧化过度，与凋亡或坏死有明显的分子差异[20]、[21]。研究发现，抗氧化酶谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）在口腔黏膜病变中的表达显著下调，导致脂质过氧化失控，进而引起上皮膜破坏和脱落。此外，GPX4表达低和酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）表达高与上皮损伤的严重程度呈正相关，说明铁死亡是OM发病机制的核心。这些发现表明，抑制铁死亡是一种有前景的治疗策略，可以同时减轻氧化损伤、抑制炎症级联反应并防止上皮脱落，从而实现对上皮和免疫成分的协同调节。

硒（Se）是一种必需的微量元素，在维持免疫稳态、抗氧化防御和炎症调节中起着关键作用[22]、[23]、[24]。作为谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）家族（尤其是GPX4）的重要辅因子，硒直接参与抑制铁死亡和维持氧化还原平衡[25]、[26]。本研究的临床和转录组分析显示，OM组织中的硒代谢途径明显紊乱，相关硒蛋白表达显著下调，而这些硒蛋白与抗氧化、炎症抑制和上皮修复相关基因的表达呈负相关（图1A）。这些发现表明，硒代谢紊乱可能是OM进展的关键内源性驱动因素，而外源性硒补充具有显著的治疗潜力。然而，传统的硒化合物（如亚硒酸钠）存在生物利用度低、治疗窗口窄和潜在的系统毒性等问题，限制了其临床应用[27]、[28]。纳米技术的最新进展为硒基治疗带来了新的机遇，尤其是硒纳米颗粒（SeNPs），它们具有优异的生物活性、生物相容性和可控的物理化学性质[29]、[30]、[31]、[32]。然而，未经改性的SeNPs容易聚集，黏膜滞留能力有限，且缺乏多功能性，无法有效应对OM的多种病理机制。

为了解决这些问题，我们开发了一种聚（5-羟色胺）功能化的硒纳米平台（PST-SeNPs）（图1B）。利用聚（5-羟色胺）的强黏膜黏附性和生物活性，该纳米平台提高了稳定性、黏膜滞留能力和协同治疗效果。如图1C所示，PST的强黏附性使纳米颗粒在溃疡部位长时间停留，促进深层组织渗透和持续局部治疗效果。从机制上看，PST-SeNPs通过同时调节两个关键调控轴——GPX4介导的铁死亡途径和免疫微环境中的巨噬细胞极化，实现了“种子–土壤”的协同调节（图1D）。这种双重调节不仅保护了黏膜上皮细胞免受铁死亡损伤，还使局部免疫微环境恢复到修复状态。实验结果表明，PST-SeNPs在物理化学稳定性、黏膜黏附性和治疗效果方面均优于传统的硒制剂。值得注意的是，PST-SeNPs显著加速了黏膜溃疡愈合，并在分子水平上打破了“氧化应激–铁死亡–炎症放大”的核心病理循环。总体而言，本研究证明了PST-SeNPs作为OM治疗的多功能纳米平台的巨大潜力，为针对复杂炎症网络的集成纳米治疗提供了新的设计范例。

材料

5-羟色胺（5-HT，≥98%）和亚硒酸钠分别购自上海源业生物科技有限公司（上海）和阿拉丁化学有限公司（上海）；脂多糖（LPS）购自北京Solarbio生命科学有限公司。使用的商业检测试剂盒包括：南京建城生物工程研究所提供的超氧阴离子检测试剂盒、羟基自由基检测试剂盒和一氧化氮比色检测试剂盒。

临床转录组分析揭示了硒代谢紊乱在口腔黏膜炎发病机制中的关键作用

为了系统阐明口腔黏膜炎（OM）的病理机制并确定潜在的治疗靶点，本研究采用放射化疗诱导的黏膜炎作为代表性的OM模型。与其他类型的OM相比，放射和化疗相关的黏膜炎具有明确的发病机制、标准化的临床分级标准以及丰富的公开数据集，使其成为机制研究的理想模型[33]、[34]。

结论

本研究揭示了铁死亡是驱动口腔黏膜炎（OM）的核心病理机制，与硒代谢紊乱和GPX4表达下调密切相关，并为OM治疗提供了新的分子视角。基于这一机制认识，我们合理设计并成功构建了一种具有黏膜黏附和抗氧化功能的聚（5-羟色胺）功能化硒纳米颗粒（PST-SeNP）平台。

实验部分

实验细节详见支持信息。

CRediT作者贡献声明

梁俊豪：数据可视化、正式分析、数据整理。李佩：撰写–审稿与编辑、监督。周文虎：监督、项目管理、资金获取、概念设计。秦欧阳：撰写–初稿、方法学设计、实验研究、正式分析。高润伟：软件开发、实验研究、数据整理、概念设计。李思思：监督、方法学设计、正式分析

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

数据可用性

本研究的所有数据和材料均包含在本手稿中。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32571692）的支持。作者感谢西华口腔医学院的王健教授提供HOK细胞，并感谢BioRender在 manuscript 编制过程中提供的专业示意图服务。