Advanced Materials|受生物启发、线粒体靶向的单原子纳米酶通过重编程干细胞能量代谢，增强骨骼再生

干细胞中正常的线粒体功能对于有效的骨再生至关重要，线粒体复合体 IV（细胞色素 c 氧化酶，CcO）在维持电子传递链活性和 ATP 合成中起着关键作用。为解决与骨缺陷相关的线粒体功能障碍，我们开发了一种基于树突状的间孔硅质二氧化硅纳米颗粒（DMSN）的 CcO 拟纳米酶，名为三苯基膦（TPP）-DMSN-Fe/Cu。该纳米酶融合了铁和铜单原子，以模拟 CcO 的催化中心，并用线粒体靶向剂 TPP 进行修饰。体外，TPP-DMSN-Fe/Cu 纳米酶与线粒体共定位，增强线粒体功能，有效调控细胞能量代谢并促进干细胞骨生成。在体内，TPP-DMSN-Fe/Cu 纳米酶显著增强了骨再生，治疗 4 周后，大鼠在严重骨缺损处骨体积增加 177%，矿物质密度增加 12%。综合来看，这些发现表明，生物启发的线粒体靶向 TPP-DMSN-Fe/Cu 纳米酶具有通过调节细胞能量代谢加速骨再生的强劲潜力。

示意图展示了TPP-DMSN-Fe/Cu纳米酶改善线粒体功能、调节细胞能量代谢以及促进干细胞成骨分化的能力。

这项研究设计了一种模仿线粒体复合物IV的纳米酶，取名TPP-DMSN-Fe/Cu。研究人员先把树枝状介孔二氧化硅表面修饰上能靶向线粒体的三苯基膦，再负载上单原子铁和铜，模拟细胞色素c氧化酶的催化中心。体外实验发现，这种纳米酶不仅能有效清除活性氧，还能显著提升干细胞的线粒体功能——NAD+/NADH比值升高，ATP产量增加，氧化磷酸化和脂肪酸氧化都被激活。转录组分析进一步证实，处理后的细胞里与成骨、钙内流、线粒体呼吸链相关的基因明显上调，CAMKK‑AMPK信号通路也被启动。

在大鼠颅骨临界尺寸骨缺损模型中，负载了这种纳米酶的GelMA支架表现出很强的促修复能力。术后8周的micro‑CT显示，骨体积分数和骨密度都远超对照组；组织染色也看到更致密的新生骨，OCN、COL1A1、PGC‑1α和ATP5A的表达水平明显升高。安全性方面，主要脏器切片和血常规指标均未发现异常。整体来看，这种仿生纳米酶通过靶向提升线粒体能量代谢，为干细胞成骨分化提供了有利的微环境，在难愈合骨缺损修复中显示出不错的应用前景。

参考文献：