Biomaterials│微凝胶锚定的级联增强型Pt纳米酶重塑心梗微环境

一、研究背景：心肌梗死修复的“代谢--免疫--微环境”难题
心肌梗死（MI）后局部缺血缺氧状态诱导心肌细胞主要通过无氧糖酵解维持代谢，从而导致乳酸在局部心肌组织中大量积累。这种病理性乳酸堆积不仅导致局部酸中毒和代谢稳态紊乱，还被越来越多的研究证实与心内皮细胞向间充质细胞转化（EndoMT）密切相关，进而促进心肌纤维化的发生，进一步加剧梗死后结构重塑与心功能衰退。因此，针对MI后局部乳酸异常积累问题，开发高效的乳酸清除策略，对于改善MI后心脏修复具有重要的临床意义。
二、纳米酶：从“类酶活性”到疾病微环境调控
纳米酶（nanozymes）是一类具有天然酶样催化活性的纳米材料，因其稳定性高、易修饰、可调控性强，在疾病治疗中展现出独特优势。不同于天然酶易失活、半衰期短的缺陷，纳米酶能够在复杂病理环境中长期发挥作用，尤其适用于ROS相关疾病的调控。铂（Pt）纳米酶是目前研究最为深入的类CAT纳米酶之一，能够高效催化H2O2分解为H2O和O2，在缓解氧化应激的同时改善局部缺氧状态。与传统抗氧化剂相比，Pt纳米酶具有催化效率高、作用持久、不依赖消耗型清除机制等显著优势。但在MI治疗中，Pt纳米酶仍面临两个核心挑战：1）单一清除ROS无法解决乳酸堆积导致的代谢酸化问题；2）纳米尺度体系在心脏内易被快速清除，难以实现长期局部作用。
三、技术路线：构建微凝胶锚定的Pt-LOx级联增强型体系
针对上述问题，浙江大学高长有团队提出了一种基于Pt纳米酶和乳酸氧化酶（LOx）的级联反应微凝胶体系（PPtL@MGs）（Biomaterials 2026, 12400）。首先，以HS-PEG-NH2修饰Pt纳米酶（PPt），并负载LOx形成PPtL；随后通过EDC/NHS反应将其共价固定于含羧基的透明质酸基微凝胶表面，构建兼具乳酸清除与局部锚定能力的PPtL@MGs平台。该体系通过化学键合实现对PPtL的稳定固定，显著提高其在MI区域的驻留性与催化稳定性。Pt纳米酶持续分解内源性H2O2生成O2，为LOx提供氧源，实现持续高效的乳酸氧化，从而缓解缺氧导致的代谢障碍，抑制EndoMT及心肌纤维化，促进心功能恢复。图1. PPtL@MGs的构建及其在MI治疗中的级联增效机制示意图
四、Pt 纳米酶及微凝胶体系的结构构建与关键表征
研究首先构建了具有高稳定性的 Pt 纳米酶，其呈现为多孔球形结构，并保持了典型的面心立方晶体结构。高分辨透射电镜结果清晰显示了 Pt 的 (111) 和 (200) 晶面间距，证明纳米酶在后续修饰过程中晶体结构保持完整，为其稳定的类CAT活性提供了结构基础。为提升其生物稳定性与功能拓展性，研究者通过 巯基-金属配位作用 将PEG分子牢固修饰在Pt表面（PPt）。XPS结果中典型的 Pt-S 键特征峰，结合XRD与元素映射结果，共同证实了PEG分子的成功锚定，同时并未改变 Pt 的金属态本征性质。在此基础上，研究进一步通过静电作用LOx，构建了级联反应单元PPtL。粒径和表面电荷的系统变化清晰反映了LOx的成功装载，为后续“乳酸消耗--过氧化氢清除--氧供给”的级联反应奠定了物理基础。为实现心梗区域的局部滞留与长期作用，PPtL进一步被共价固定在透明质酸基微凝胶表面，构建了PPtL@MGs微凝胶系统。扫描电镜和元素分布分析显示，Pt纳米酶均匀锚定于微凝胶表面，而红外光谱中PEG特征峰的增强进一步验证了固定化的成功。图2. Pt、PPt及PPtL@MGs结构表征
五、级联纳米酶体系的功能验证：打通“缺氧--乳酸--氧化应激”的恶性循环
功能实验表明，Pt 纳米酶具有稳定而高效的类CAT性，能够持续分解 H2O2产生O2，不仅有效清除氧化应激，还显著缓解局部缺氧状态。更重要的是，该催化活性在弱酸性条件下依然保持稳定，明显优于天然过氧化氢酶，显示出其在病理微环境中的独特优势。在此基础上，负载 LOx 后形成的 PPtL 体系展现出显著增强的乳酸清除能力。与单独使用 LOx 不同，PPtL 在缺氧和高 ROS 条件下依然能够高效催化乳酸氧化，并同步产生丙酮酸。这一增强效应来源于 Pt 纳米酶持续供氧和同步清除反应过程中产生的过氧化氢，从而形成“供氧--去 ROS--促代谢”的正反馈级联反应。进一步将 PPtL 固定于微凝胶后，其乳酸清除效率并未降低，但体系获得了更高的稳定性与持续性，为后续体内应用提供了关键保障。图 3. PPt、PPtL及PPtL@MGs的功能验证
六、细胞层面验证：级联纳米酶显著保护内皮细胞功能
在模拟MI的缺氧、高乳酸和氧化应激条件下，人脐静脉内皮细胞（HUVECs）出现了典型的病理性改变：细胞由原本规则的“鹅卵石样”形态转变为细长的成纤维样结构，迁移能力异常增强，而血管成管能力明显受损，这些特征均提示内皮细胞向病理性表型转化（EndoMT）。实验发现，空白微凝胶本身并不具备保护作用，而单独使用LOx只能在一定程度上缓解损伤，其效果受到缺氧环境的明显限制。相比之下，由 Pt 纳米酶与 LOx 组成的级联体系能够显著改善内皮细胞状态：细胞形态得到明显恢复，异常迁移行为被有效抑制，血管样结构形成能力显著增强。这种保护效应源于 Pt 纳米酶持续分解过氧化氢产生氧气，从而在缺氧条件下“激活”LOx 的乳酸清除功能，协同缓解乳酸堆积和氧化应激。图4. 缺氧/氧化应激条件下人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的形态、迁移及血管新生能力
七、体内验证：微凝胶锚定实现心梗局部滞留，并系统性重塑病灶微环境
首先，通过活体荧光成像对比了PPtL与PPtL@MGs在MI区域的体内行为。结果显示，游离的PPtL在注射后极短时间内即从心梗部位迅速消失，而 PPtL@MGs 能够在梗死边缘区实现明显而稳定的局部滞留，荧光信号可持续存在近一周。这一结果直观证明，微凝胶结构显著提升了纳米酶在心梗组织内的局部保留和作用时间。在此基础上，研究进一步分析了心梗组织内关键病理微环境指标。MI后，缺氧（HIF-1α 升高）、过氧化氢积累和乳酸堆积同时存在，形成相互放大的恶性循环。游离 PPtL 由于滞留不足，几乎无法有效改善这些指标；单独负载 LOx 的微凝胶虽可一定程度降低乳酸，但在严重缺氧条件下其作用受限。相比之下，PPtL@MGs 能同步显著降低缺氧水平、清除过氧化氢并减少乳酸积累，显示出对心梗微环境的整体调控能力。更重要的是，这种微环境改善进一步传导至分子层面。心梗后，乳酸诱导的 Snail1 乳酰化显著增强，并激活 TGF-β/Smad2 信号通路，驱动EndoMT和纤维化进程。PPtL@MGs 处理后，Snail1 的乳酰化水平明显下降，其表达及下游 TGF-β/Smad2 信号均受到有效抑制。图5. MI后材料的心肌滞留能力及心肌微环境调控作用
总结
总的来说，这项研究从MI特有的病理微环境出发，提出了一种不同于传统纳米治疗思路的解决方案。通过将具有催化分解过氧化氢能力的Pt纳米酶与乳酸氧化酶构建级联体系，并进一步利用微凝胶实现局部锚定。该体系不仅同步缓解了缺氧、氧化应激和乳酸堆积等关键代谢异常，还在分子层面抑制了乳酸相关的致纤维化信号通路，从而改善心梗后的不良重塑过程。