广西医科大学钟静萍《Advanced Materials》：不对称高暴露铁单原子纳米酶靶向递送siMMP13，抑制铁死亡治疗骨关节炎

骨关节炎（OA）作为一种高发的退行性关节疾病，目前缺乏有效的根治手段，临床治疗仍面临诸多瓶颈。近日，广西医科大学团队在《Advanced Materials》发表重要研究成果，创新性设计了一种不对称且高暴露的铁单原子纳米酶（Fe SAzymes），通过软骨靶向肽WYRGRL修饰并负载siMMP13构建 si-FeSA/NGM-W纳米平台，借助抑制铁死亡实现骨关节炎的精准靶向治疗，为OA的临床干预提供了全新的纳米医学策略。

要点分析

研究背景：骨关节炎治疗的痛点与铁死亡的关键作用

骨关节炎以软骨进行性降解、慢性炎症和软骨下骨重塑为特征，是全球慢性疼痛和残疾的主要诱因。现阶段早期OA治疗以止痛药为主，仅能缓解症状却无法阻断疾病进展，长期使用还存在胃肠道、心血管等副作用；晚期则只能依靠关节置换手术，伴随假体失效、术后并发症等风险。

研究证实，氧化还原失衡驱动的铁死亡是OA进展的核心机制：OA中活性氧（ROS）大量累积，通过芬顿反应引发脂质过氧化，导致线粒体功能障碍，同时激活基质金属蛋白酶13（MMP13），下调谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX4），破坏谷胱甘肽（GSH）代谢，形成“炎症-铁死亡-软骨降解”的恶性循环。

单原子纳米酶（SAzymes）因稳定性高、成本低、催化活性可调，成为清除ROS、抑制铁死亡的理想工具，但传统铁基单原子纳米酶存在活性位点暴露不足、催化动力学缓慢、缺乏靶向性等问题。为此，研究团队通过结构工程优化，打造了兼具高催化活性、软骨靶向性和基因调控功能的多功能纳米酶平台。

核心设计：si-FeSA/NGM-W纳米酶的合成与结构特征

团队采用混合熔盐剥离+锌去除策略，将Zn-ZIF剥离为具有拓扑缺陷和分级孔结构的超薄二维氮掺杂石墨烯类纳米网（NGM），作为锚定铁单原子的支架；通过构建 Fe-N₄-Cl 不对称配位活性位点，引入应变和缺陷，促进电子转移、增强自由基吸附并降低反应能垒，显著提升超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）样多酶催化活性。

在此基础上，通过共价偶联软骨靶向肽WYRGRL，并利用静电作用负载MMP13沉默 siRNA（siMMP13），最终构建得到 si-FeSA/NGM-W 纳米酶复合物。结构表征证实：

1.FeSA/NGM为厚度3 nm的超薄二维结构，铁单原子均匀分散，负载量达0.87 wt.%，无金属纳米颗粒团聚；

2.Fe-N₄-Cl不对称配位实现了铁的中间氧化态，增强了与反应中间体的轨道重叠，优化了电子结构；

3.WYRGRL修饰和 siMMP13负载使材料zeta电位从+19.47 mV 变为-31.63 mV，siMMP13负载效率＞90%，并呈现pH响应性释放（中性pH缓慢释放，酸性pH（5.5）4 h 内突释～55%），实现胞内精准递送。

图1. si-FeSA/NGM-W的合成路线及ROS清除、骨关节炎治疗机制示意图。

体外验证：高催化活性+ 靶向性，高效清除 ROS 并保护软骨细胞

1. 优异的多酶样催化活性，高效清除 ROS

Fe-N₄-Cl 不对称配位是催化活性提升的核心：与无 Cl 配位、未剥离的铁单原子纳米酶相比，FeSA/NGM 在 5.5~7.4 生理 pH 范围内保持高 SOD/CAT/GPx 样活性，可将细胞毒性的 O₂⁻、H₂O₂、・OH 依次转化为无害的 H₂O 和 O₂，实现 ROS 的级联清除。

DFT 计算证实，Fe-N₄-Cl 位点通过调控铁的d带中心，增强了与 O₂、H₂O₂等中间体的吸附能力，显著降低了催化反应的能垒：SOD样反应决速步能垒从 0.75 eV 降至 0.25 eV，CAT 样反应决速步能垒从1.36 eV降至0.47 eV。

2. 高效的软骨靶向与胞内递送能力

WYRGRL肽的修饰使 si-FeSA/NGM-W 的软骨细胞摄取效率提升 2.45 倍，软骨穿透深度提升 3.21 倍；材料进入细胞后通过质子海绵效应实现溶酶体逃逸，8h内 siMMP13与载体解离并释放至细胞质，同时暴露 Fe-N₄-Cl 活性位点，持续发挥催化作用。

3. 保护软骨细胞，抑制凋亡与炎症

在400 μM H₂O₂诱导的软骨细胞氧化应激模型中，si-FeSA/NGM-W 展现出最优的细胞保护效果：

1.清除ROS效率达64.5%，显著优于NGM、FeSA/NGM 等对照组，同时缓解细胞缺氧；

2.有效恢复线粒体膜电位（恢复率91.7%），维持钙稳态，提升ATP水平，降低细胞凋亡率（从39.3%降至17.6%）；

3.显著下调MMP13（降低64.8%）及促炎因子IL-1β、IL-6、TNF-α，上调软骨基质相关基因Acan（1.61倍）、Col2α1（1.33倍），阻断软骨基质降解。

机制解析：抑制IL-17通路+增强谷胱甘肽代谢，阻断铁死亡

通过转录组测序（RNA-Seq）结合基因富集分析（GSEA），团队揭示了 si-FeSA/NGM-W治疗OA的核心分子机制：双重调控炎症通路与铁死亡相关代谢，实现“抗炎-抗铁死亡”协同治疗。

抑制IL-17炎症信号通路：si-FeSA/NGM-W 显著下调IL-17通路关键基因HSP90B1、CSF3、CCL20，减少促炎因子释放，缓解软骨和滑膜的慢性炎症，打破 “炎症 - ROS 累积”的正反馈；

增强谷胱甘肽代谢通路：MMP13 的沉默上调 GPX4 的表达，促进 GSH 合成，增强细胞抗氧化能力；同时下调铁摄取蛋白 TFR1、上调铁外排蛋白 FPN1，降低细胞内 Fe²⁺水平，抑制脂质过氧化（减少脂质 ROS 生成）；

直接调控铁死亡标志物：在RSL3诱导的铁死亡模型中，si-FeSA/NGM-W 显著上调铁死亡抑制因子GPX4（mRNA+蛋白水平），下调铁死亡标志物PTGS2，从源头阻断铁死亡进程。

图2. si-FeSA/NGM-W通过抑制IL-17通路、增强谷胱甘肽代谢抑制铁死亡的分子机制

体内疗效：精准靶向关节，缓解OA并修复软骨损伤

团队采用前交叉韧带横切（ACLT）构建大鼠OA模型，通过关节腔内注射 si-FeSA/NGM-W 验证体内治疗效果：

长效关节滞留与生物安全性：Cy5标记的 si-FeSA/NGM-W 在关节内滞留时间达 192 h，显著长于未修饰的 FeSA/NGM（72 h 完全清除）；主要器官无明显荧光富集，血液生化、血常规指标正常，无溶血性（溶血率＜1%），证实材料生物相容性优异。

改善OA 大鼠的关节功能：si-FeSA/NGM-W治疗显著改善大鼠步态参数（步幅持续时间、支撑相持续时间），缓解关节疼痛和运动障碍。

保护软骨下骨并修复软骨损伤：micro-CT 结果显示，si-FeSA/NGM-W 可有效维持软骨下骨的骨体积分数（BV/TV）、骨密度（BMD），减少骨小梁分离；组织学染色（HE、番红O-固绿）证实，材料可显著减轻软骨表面纤维化、蛋白聚糖流失，OARSI 评分与假手术组无显著差异。

抑制体内铁死亡与炎症：免疫荧光和免疫组化结果显示，si-FeSA/NGM-W处理后，OA大鼠关节软骨中GPX4、FTH1（铁死亡抑制因子）表达显著上调，IL-1β、IL-6、MMP13、PTGS2（铁死亡/炎症标志物）表达显著下调，同时恢复线粒体功能相关蛋白 ATPB、TOM20的表达。

图3. si-FeSA/NGM-W在ACLT大鼠OA模型中的体内治疗效果

研究结论与意义

本研究通过结构工程+功能修饰的策略，成功构建了具有不对称高暴露Fe-N₄-Cl活性位点、软骨靶向性、siRNA递送功能的多功能铁单原子纳米酶si-FeSA/NGM-W，实现了“ROS 级联清除+MMP13基因沉默+铁死亡抑制+炎症调控”的四重协同治疗效果。

该纳米平台的创新点在于：

1.首次将 Fe-N₄-Cl 不对称配位引入骨关节炎治疗的纳米酶设计，显著提升多酶样催化活性；

2.实现了纳米酶的软骨靶向修饰与pH响应性 siRNA 递送，提高了治疗的精准性和效率；

3.揭示了“抑制IL-17通路+增强谷胱甘肽代谢”的铁死亡抑制新机制，为OA的精准治疗提供了分子靶点。

该研究为铁死亡相关退行性疾病的纳米医学治疗提供了全新的设计思路，也为骨关节炎的早期干预和精准治疗奠定了实验基础，具有重要的临床转化潜力。

论文链接DOI: 10.1002/adma.202520951.