材料定制——Journal of Nanobiotechnology | 一种靶向MAM的集成原子级精确MnSe Janus纳米酶平台可抑制细胞焦亡和铁死亡，用于椎间盘退变治疗

线粒体相关内质网（ER）与线粒体相关的内质网膜（MAMs）异常的相互作用，导致髓核细胞中的氧化应激、钙调节失调、焦磷遁和铁剥蚀，加速椎间盘变性（IVDD）。模仿抗氧化酶并重塑氧化应激微环境的纳米酶在IVDD治疗中前景可期，但其疗效受限于酶样活性低和MAMs靶向不良。为此，我们开发了一种空间约束热解策略，合成N/O共掺杂的空心竹状多孔碳纳米管，内含原子层Janus MnSe双原子，并用MAM靶向蛋白GRP75和σ1R调控蛋白进行功能化，CGI1746得到GC-MnSeDA/BCNT，一种用于精确IVDD干预的集成纳米酶平台。空心的BCNT框架暴露了原子分散的MnSe位点，而MnSeN5O Janus活性中心通过Se介导的p-d轨道杂交优化Mn的局部电子结构，促进电子转移并降低反应能垒，从而增强SOD、CAT和GPx样活性。该平台展现出高生物安全性和强效多酶抗氧化活性，实现高效ROS清除和脂质过氧化抑制。重要的是，它恢复了MAMs和线粒体功能的完整性，维持了Ca2⁺的稳态，并抑制了NLRP3介导的焦凋和铁剥剥作用，从而延缓了IVDD的进展。这项工作为退行性和炎症性疾病的治疗提供了高效、安全且精准的新策略。

该研究以题为“A MAM-targeted integrated atomic-precision MnSe janus nanozyme platform inhibits pyroptosis and ferroptosis for intervertebral disc degeneration therapy”发表在Journal of Nanobiotechnology上。

图1

GC-MnSeDA/ BCNT 纳米酶的合成及MAM靶向ROS清除以抑制 IVDD 中细胞焦亡和铁死亡的示意图

图2

MnSeDA/ BCNT 纳米酶的结构和功能表征。(a) MnSeDA/ BCNT 的TEM图像，比例尺：100 nm。(b) 不同放大倍率的MnSeDA/ BCNT 的TEM图像，比例尺：20 nm。(c) MnSeDA/ BCNT 的像差校正高角环形暗场扫描TEM（AC- HAADF -STEM）图像，比例尺：2 nm。(d) MnSeDA/ BCNT 的元素分布图，显示C、N、O、Mn和Se元素，比例尺：200 nm。(e) BCNT 和MnSeDA/ BCNT 的 XRD 图谱。(f) BCNT 和MnSeDA/ BCNT 的拉曼光谱。(g) MnSeDA/ BCNT 的N2吸附和解吸等温线及孔径分布（插图）。(h) 不同样品的Mn K边 XANES 光谱。(i) 不同样品的k2加权χ(k)傅里叶变换 EXAFS 函数光谱。(j) 不同样品的Se K边 XANES 光谱。(k) 不同样品的k2加权χ(k)傅里叶变换 EXAFS 函数光谱。(l-o) Mn箔(l)、氧化锰(m)、MnO₂(n)和MnSeDA/ BCNT (o)在Mn K边的WT图像。(p-s) Se箔(p)、MnSe(q)、SeO₂(r)和MnSeDA/ BCNT (s)在Se K边的WT图像。

图3

MnSeDA/ BCNT 纳米酶的酶活性和DFT计算。(a)相同浓度下 BCNT 、SeSA/ BCNT 、MnSA/ BCNT 、MnSeDA/ BCNT 和GC-MnSeDA/ BCNT 的SOD活性。(b)不同浓度下MnSeDA/ BCNT 的SOD活性。(c)相同浓度下 BCNT 、SeSA/ BCNT 、MnSA/ BCNT 、MnSeDA/ BCNT 和GC-MnSeDA/ BCNT 纳米酶对过氧化氢分解的评估。(d)不同浓度MnSeDA/ BCNT 纳米酶对过氧化氢分解的评估。(e)相同浓度下 BCNT 、SeSA/ BCNT 、MnSA/ BCNT 、MnSeDA/ BCNT 和GC-MnSeDA/ BCNT 的GPx活性。(f)不同浓度下MnSeDA/ BCNT 的GPx活性。(g)MnSeDA/ BCNT 的自旋密度分布。(h)MnSeDA/ BCNT 的电子局域化函数（ELF）图。（i-j）MnSeDA/ BCNT 和MnSA/ BCNT 的d带中心计算态密度（DOS）。（k-l）MnSA/ BCNT 和MnSeDA/ BCNT 的计算功函数。（m-n）MnSA/ BCNT 和MnSeDA/ BCNT 上SOD反应路径和CAT反应路径的能量变化计算结果。

图4

GC-MnSeDA/ BCNT 纳米酶的细胞摄取和自由基清除能力。（a–b）培养12小时后，NPCs吞噬Cy5标记的MnSeDA/ BCNT 和GC-MnSeDA/ BCNT 纳米酶的共聚焦荧光图像。比例尺：25 μm。（c-l）不同处理后，（c，h）DCFH -DA、（d，i）DHE 、（e，j）[Ru (dpp)₃]Cl₂、（f，k）HPF 、（g，l）DAF-FM DA染色的NPCs的细胞内荧光强度的共聚焦图像及定量分析，比例尺：180 μm。(m)不同处理后， DCFH -DA染色的NPCs中细胞内ROS的流式细胞术分析。注：G1：对照组，G2： TBHP ，G3：MnSeDA/ BCNT + TBHP ，G4：G-MnSeDA/ BCNT + TBHP ，G5：GC-MnSeDA/ BCNT + TBHP 。数据以平均值±标准差表示（n = 3）。

图5

GC-MnSeDA/ BCNT 靶向并重塑 TBHP 损伤的NPC中的MAMs。(a)MnSeDA/ BCNT 和GC-MnSeDA/ BCNT 的共聚焦图像，显示 DAPI 、MitoTracker Green、ER-Tracker Red及Cy5标记的纳米酶，比例尺：50 μm。(b)经 IVDD（TBHP）和GC-MnSeDA/ BCNT 处理的NPC经MitoTracker Green和ER-Tracker Red染色的共聚焦图像，比例尺：10 μm。(c)NPC的超微结构。放大图像显示伪彩色图像，其中内质网以绿色突出显示，线粒体以红色显示，内质网-线粒体接触位点以黄色显示，比例尺：200 nm。(d) IVDD 组和GC-MnSeDA/ BCNT 组中内质网-线粒体距离的量化。（e-l）不同处理后，（e，i）Fluo-4 AM、（f，j）Mag-Fluo-4、（g，k）Rhod-2 AM、（h，l）JC -1染色的NPC的细胞内荧光强度的共聚焦图像及定量分析，比例尺：180 μm。注：G1：对照组，G2： TBHP 组，G3：MnSeDA/ BCNT + TBHP 组，G4：G-MnSeDA/ BCNT + TBHP 组，G5：GC-MnSeDA/ BCNT + TBHP 组。数据以均值±标准差表示（n = 3）。

总结

参考文献：

DOI:10.1186/s12951-026-05151-1

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