ACS Nano | 注射式无金属碳点整合水凝胶，通过巨噬细胞代谢重编程调节炎症，用于脊髓损伤治疗

脊髓损伤（SCI）后过高的氧化应激会引发加剧的促炎反应，严重阻碍神经再生和功能恢复。虽然消除活性氧（ROS）并减弱炎症级联反应的抗氧化纳米酶在脊髓损伤治疗中展现出潜力，但大多数当前纳米酶中金属离子相关的潜在神经毒性限制了其临床转化。本研究展示了一种基于无金属碳点（D-CDs）的策略，有效消除 ROS，并通过 P53 信号通路激活重新编程巨噬细胞代谢，从而引导巨噬细胞的极化向促进再生的表型。此外，开发了一种注射式基于甲烷的动态水凝胶（QP 水凝胶），以实现 D-CD 在损伤部位的持续局部递送，保持有效治疗浓度并提升临床可行性。体外实验证实，D-CDs@QP 水凝胶有效促进巨噬细胞 M2 极化并增强神经干细胞群体的神经发生，同时抑制星形胶质细胞分化。在完全脊髓损伤的小鼠模型中，D-CDs@QP 显著增强了运动和膀胱功能的恢复。本研究开发了一种无金属碳纳米酶集成水凝胶系统，可重新编程巨噬细胞线粒体代谢，提供有效策略以对抗神经炎症、刺激神经再生并促进脊髓损伤后功能恢复。
该研究以题为“Injectable Metal-Free Carbon Dot-Integrated Hydrogel for Regulating Inflammation via Macrophage Metabolic Reprograming in Spinal Cord Injury Therapy”发表在ACS Nano上。

方案1. D-CDs@QP水凝胶制备工艺示意图及其脊髓损伤修复作用机制示意图

D-CDs表征分析。(a)D-CDs的典型及高分辨率透射电子显微镜（TEM）图像，尺寸分布如插图所示。(b) XRD 衍射图谱。(c)拉曼光谱、(d)傅里叶变换红外光谱（FT-IR）及(e) XPS 光谱。各元素原子比例见插图。(f)D-CDs的C1s高分辨率 XPS 与(g)O1s光谱。(h)不同浓度下D-CDs对 ABTS 、 DPPH 、•O2−及•OH的清除能力。

D-CDs@QP水凝胶特性分析。(a) D-CDs@QP水凝胶在时间扫描测试中的储能模量(G′)与损耗模量(G″)。频率：1 Hz。(b) D-CDs@QP水凝胶动态频率扫描曲线。应变率：1%。(c) 不同剪切速率下D-CDs@QP水凝胶的黏度变化。插图显示注射过程中的D-CDs@QP水凝胶。(d) 该水凝胶可通过22G针头轻松注射，所得水凝胶条可模压成字母组合（“N”、“M”和“U”）。比例尺：1 cm。(e) 应变幅值扫描分析中水凝胶的G′与G″值（γ =0.1−400%）。(f) 通过交替阶跃应变扫描分析水凝胶流变特性（γ =1%或350%）。(g) D-CDs@QP的自修复行为。比例尺：1 cm。(h) 合成水凝胶的自适应性能。比例尺：5 mm。(i) QP与D-CDs@QP水凝胶的SEM图像。上图：QP水凝胶；下图：D-CDs@QP水凝胶。比例尺：10 μm 。

总结

体外实验表明，D-CDs@QP可有效清除巨噬细胞内ROS，维持线粒体膜电位与结构完整性，逆转H₂O₂诱导的糖酵解偏移，恢复氧化磷酸化（OXPHOS）水平。转录组分析揭示其机制与激活p53信号通路相关，p53抑制剂PFT-α可逆转上述代谢重编程效应。该体系显著促进巨噬细胞向M2型极化（Arg-1↑、iNOS↓），并诱导神经干细胞向神经元（Tuj-1↑）而非星形胶质细胞（GFAP↓）分化。在小鼠全横断SCI模型中，D-CDs@QP治疗组显著改善运动功能（BMS评分、步长、MEP振幅），减少膀胱残余尿量，并减轻膀胱壁萎缩。该研究为SCI治疗提供了兼具免疫代谢调控与神经再生促进功能的无金属纳米酶-水凝胶一体化策略。

参考消息：

DOI: 10.1021/acsnano.5c13627