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背景介绍

急性心肌梗死（AMI）是冠心病最严重的表现之一，由冠状动脉血流突然减少或中断导致心肌细胞损伤和死亡。心肌坏死触发多种炎症过程，包括炎症细胞募集和细胞因子诱导，这些炎症反应可对梗死面积、心脏重构和纤维化产生不良影响。同时，过量活性氧（ROS）积累导致脂质过氧化、DNA损伤和蛋白质氧化，最终诱发不可逆的铁死亡——一种进一步加重心肌损伤的细胞死亡形式。天然酶虽然具有高效催化活性，但稳定性差、成本高；传统纳米酶催化性能仍不及天然酶，主要归因于对称配位和电子结构的限制。因此，开发具有不对称配位结构的高效单原子纳米酶，实现广谱ROS清除和抗炎作用，是AMI治疗的迫切需求。

研究思路

针对上述挑战，福建医科大学附属第一医院彭峰教授、朱阳教授、胡丹教授及王灯亮教授团队提出了一种溴（Br）掺杂的不对称配位铜单原子纳米酶（Cu-BrN₃/SAN@M）。该团队通过将高电负性的Br引入Cu-N₄对称配位结构中，成功构建了具有Cu-BrN₃不对称配位构型的单原子纳米酶。理论计算和实验表明，Br掺杂引起Cu-N键的轻微伸长，优化了氧中间体的吸附和脱附行为，使Cu的d带中心向费米能级移动，增强了结构电子活化能力，从而显著提高了过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）样活性。经巨噬细胞膜仿生修饰后，Cu-BrN₃/SAN@M具有良好的心脏靶向性。在体外和体内AMI模型中，该纳米酶通过清除羟基自由基、超氧阴离子和过氧化氢，抑制线粒体功能障碍和铁死亡（调节ACSL4、SLC7A11、GPX4和铁蛋白），同时将促炎M1巨噬细胞重编程为修复性M2表型，增加调节性T细胞（Treg）活性，打破炎症-自由基恶性循环，显著改善心肌功能（射血分数提高14.33%），减少纤维化和梗死面积。相关内容以“Asymmetrically Coordinated Cu Single-Atom Nanozyme to Accelerate Inflammation and Immune Homeostasis Modulation in Acute Myocardial Infarction”为题，发表在ACS Nano。

图片解析

图1. Cu-BrN₃/SAN@M的合成及治疗机制示意图： (a) 不对称配位Cu-BrN₃/SAN和对称配位Cu-N₄/SAN的构建示意图。(b) 通过静电自组装制备仿生Cu-BrN₃/SAN@M。(c) Cu-BrN₃/SAN@M在AMI模型中靶向炎症区域的示意图。(d1-d2) Cu-BrN₃/SAN@M在AMI中优越的炎症和免疫稳态重塑特性：优异的ROS清除能力、调节巨噬细胞表型、提高Treg细胞活性、抑制纤维化，最终逆转心肌梗死。

图2. Cu-BrN₃/SAN的表征： (a) TEM图像，比例尺100 nm。(b) XRD图谱和(c) Raman光谱。(d) SAED图像，比例尺5 1/nm。(e) HR-TEM图像，比例尺2 nm。(f-k) HAADF-STEM图像及元素分布，比例尺100 nm。(l) AC HAADF-STEM图像，黄色圆圈标出孤立的Cu原子，比例尺1 nm。(m-n) 沿黄色虚线的3D模型亮点及(o) 沿黑线的相应强度分布。(p) Br 3d和(q) N 1s的高分辨XPS谱。

图3. Cu-BrN₃/SAN和Cu-N₄/SAN的精细结构表征： (a) XANES谱。(b) 傅里叶变换EXAFS谱。(c) k空间EXAFS曲线。(d-h) R空间EXAFS拟合曲线（Cu-BrN₃/SAN、Cu-N₄/SAN、CuPc、CuO和Cu箔）。(i) Cu-BrN₃/SAN的k空间EXAFS拟合曲线。(j-l) Cu-BrN₃/SAN、Cu-N₄/SAN和CuPc的小波变换（WT）分析。

图4. Cu-BrN₃/SAN和Cu-N₄/SAN的催化活性、DFT计算及催化机制： (a) TMB显色反应UV-vis光谱。(b) DMPO捕获·OH的ESR谱。(c) WST-8法检测SOD样活性。(d) DMPO捕获·O₂⁻的ESR谱。(e) H₂O₂分解产氧速率。(f-g) Cu-BrN₃/SAN和Cu-N₄/SAN的优化结构。(h-i) Cu原子自旋密度分布。(j) 总磁矩。(k-l) H₂O₂吸附结构及吸附能E_ads。(m-o) 吸附H₂O₂、OH和*O₂后的电荷密度差（CDD），黄色为电子积累，蓝色为耗散。(p) Bader电荷分析。(q-r) DOS分析（C、N、Br原子）。(s-t) Cu 3d带DOS分析。(u) O₂吸附和解离能垒。(v-w-x) ·OH转化为H₂O₂、·O₂⁻转化为H₂O₂、H₂O₂转化为O₂的吉布斯自由能图。

图5. Cu-BrN₃/SAN@M的心脏靶向及心肌保护作用： (a) Cy5标记纳米酶的细胞摄取及(b) 相应荧光强度。(c) 与溶酶体共定位图像，比例尺20 μm。(d) 注射后不同时间小鼠心脏荧光成像及(e) 相应荧光强度。(f) 不同浓度纳米酶的CCK-8细胞活力。(g) H₂O₂浓度梯度对AC16细胞活力的影响。(h) H₂O₂加不同纳米酶处理的细胞活力。(i) 流式细胞术检测细胞死亡率及(j) 定量。(k) 活/死细胞共染及(l) Ki67免疫荧光染色，比例尺100 μm。G1:PBS；G2:H₂O₂；G3:H₂O₂+Cu-N₄/SAN@M；G4:H₂O₂+Cu-BrN₃/SAN@M；G5:H₂O₂+秋水仙碱。p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001。

图6. Cu-BrN₃/SAN@M对心肌细胞氧化应激的保护作用： (a) ·OH水平CLSM图像及(b) 流式细胞术和(c) 荧光强度定量。(d) ·O₂⁻水平CLSM图像及(e) 流式和(f) 荧光强度。(g) ROS水平CLSM图像及(h) 流式和(i) 荧光强度。(j) LPO水平和(k) MMP的CLSM图像。分组同图5。

图7. Cu-BrN₃/SAN@M显著减轻H₂O₂诱导的心肌细胞铁死亡： (a) MDA和(b) GSH水平的ELISA检测。(c) Bio-TEM图像显示线粒体超微结构，比例尺1 μm和500 nm。(d) Mito-tracker和细胞色素c共染图像，比例尺100 μm。(e) ACSL4、SLC7A11、GPX4和铁蛋白的Western blot。(f-i) SLC7A11(f)、GPX4(g)、铁蛋白(h)和ACSL4(i)的免疫荧光染色，比例尺100 μm。

图8. Cu-N₄/SAN@M和Cu-BrN₃/SAN@M的体外抗炎和免疫调节作用： (a) BMDM中CD86⁺表达的流式图及(b) 定量。(c) CD206⁺表达的流式图及(d) 定量。(e-g) TNF-α、IL-6和IL-10的ELISA检测。(h-j) TNF-α、IL-6和IL-10的qPCR分析。(k) 活/死细胞共染CLSM图像。(l-m) 火山图和热图显示Cu-BrN₃/SAN@M组与H₂O₂组之间的差异表达基因（|fold change|>1.5，p<0.05）。(n) GO生物学过程分析。(o) KEGG通路分析。

图9. Cu-BrN₃/SAN@M改善AMI小鼠心功能： (a) AMI小鼠治疗实验流程。(b) Cy5标记Cu-BrN₃/SAN@M注射后不同时间点荧光图像。(c) 离体主要器官及心脏的荧光成像和平均辐射强度。(d) 治疗后21天超声心动图及EF、FS分析。(e) Kaplan-Meier生存曲线。(f) EF值和(g) EF值变化。(h) FS值和(i) FS值变化。(j) LVDd值和(k) LVDd值变化。(l) ANP水平和(m) BNP水平。G1:假手术+PBS；G2:AMI+PBS；G3:AMI+Cu-N₄/SAN@M；G4:AMI+Cu-BrN₃/SAN@M；G5:AMI+秋水仙碱。

图10. Cu-BrN₃/SAN@M调节AMI小鼠抗炎免疫应答： (a) 梗死区周围巨噬细胞F4/80、CD86和CD206免疫染色，比例尺200 μm。(b) Cy5标记Cu-BrN₃/SAN@M和α-SMA免疫染色，比例尺200 μm。(c-h) TNF-α、IL-1β、IL-6、iNOS-1、IL-10和Arg-1的ELISA检测。(i) 外周血CD4⁺ T细胞中CD25⁺Foxp3⁺ Tregs的代表性流式图。(j) CD4⁺ T细胞中CD25⁺Foxp3⁺ Tregs百分比定量。

图11. AMI小鼠的组织学分析： (a) H&E染色，比例尺200 μm。(b) 胶原蛋白III免疫组化染色，比例尺200 μm。(c) Masson三色染色，比例尺200 μm。(d) ACSL4免疫荧光及(e) GPX4、(f) SLC7A11、(g) 铁蛋白免疫组化染色，比例尺200 μm。

结论

本研究成功构建了溴掺杂的不对称配位铜单原子纳米酶（Cu-BrN₃/SAN@M），通过打破Cu-N₄对称结构引入Cu-BrN₃不对称配位，显著增强了ROS清除能力（SOD、CAT、POD样活性）。DFT计算表明，Br掺杂使Cu的d带中心向费米能级移动，优化了氧中间体的吸附/脱附行为，降低了决速步能垒。经巨噬细胞膜仿生修饰后，该纳米酶具有良好的心脏靶向性。在体外和体内AMI模型中，Cu-BrN₃/SAN@M通过清除多种ROS、抑制线粒体功能障碍和铁死亡（调节ACSL4/SLC7A11/GPX4/铁蛋白轴），同时将促炎M1巨噬细胞重编程为修复性M2表型，增加Treg细胞活性，打破炎症-自由基恶性循环。动物实验显示，Cu-BrN₃/SAN@M治疗使射血分数提高14.33%，显著减少纤维化、梗死面积和心室重构，延长生存期。该研究为通过配位工程优化单原子纳米酶催化性能提供了新策略，并为AMI的抗氧化和免疫调节联合治疗开辟了新途径。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.6c03635