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背景介绍

脓毒症诱导的肠损伤主要由失调的巨噬细胞介导炎症反应驱动，肠道既是脓毒症损伤的主要靶器官，也是全身炎症的催化剂。当前治疗手段虽不断进步，但肠损伤机制尚未被充分阐明，靶向治疗策略仍面临挑战。钒基单原子催化剂（V-SACs）凭借其优异的氧化还原催化活性在炎症性疾病治疗中显示出潜力，但其在脓毒症肠损伤中的作用及机制尚不清楚。调控巨噬细胞M1/M2极化平衡被认为是恢复肠道免疫稳态的关键，而GPR110作为黏附GPCR家族成员在脓毒症中的功能研究几乎空白。

研究思路

针对上述挑战，同济大学附属东方医院廖丽君教授、福建医科大学附属第一医院朱阳教授与中国科学技术大学附属第一医院胡志远教授联合团队合成了两种配位结构明确的钒单原子催化剂——V-N4和V-N3P，并在小鼠和猪的盲肠结扎穿孔（CLP）脓毒症模型以及LPS刺激的巨噬细胞炎症模型中系统探究了其保护效应与分子机制。研究发现，V-N3P因磷诱导的电荷离域效应具有更优异的ROS清除能力和纳米酶活性，可通过下调GPR110抑制JNK/NF-κB/ERK促炎信号通路，同时激活A20/STAT3抗炎轴，从而恢复巨噬细胞M1/M2极化稳态，减轻肠道黏膜损伤并改善多器官功能。相关内容以 GPR110-Dependent Macrophage Polarization Mediates the Therapeutic Effect of V-NsP Single-Atom Catalyst in Septic Intestinal Injury 发表在 Biomaterials！

图片解析

图1. V-N4和V-N3P单原子位点的结构与电子表征： (a) TEM显示均匀碳纳米结构；(b) SAED证实碳载体无定形特性；(c) XRD无结晶V相；(d-e) XPS显示C-N、吡啶N、吡咯N和石墨N；(f) Raman显示高ID/IG比值（缺陷密度）；(g-h) V-N3P的C 1s和N 1s高分辨谱；(i) DFT电荷密度差及V原子间距~17 Å；(j) V K边XANES显示V部分氧化态；(k) FT-EXAFS无V-V峰证实原子级分散；(l) AC-HAADF-STEM直接显示原子级分散的V亮点；(m-x) EXAFS拟合显示V-N4配位数~4.0，V-N3P为V-N3（~3.0）和V-P（~1.0）双配位壳层；(y) WT-EXAFS显示V-N4单散射路径，V-N3P双散射域（V-N和V-P）。

图2. DFT计算与自由基清除活性对比： (a-b) V-N4和V-N3P优化结构及电荷密度差图显示P掺杂增强电子离域；(c-d) PDOS显示V-N3P在费米能级附近轨道重叠增强；(e) CAT样H₂O₂分解自由能图显示V-N3P能垒更低（~0.21 eV vs 0.62 eV）；(f-g) 反应中间体优化结构；(h) SOD样反应自由能图显示V-N3P能垒~0.28 eV（V-N4~0.51 eV）；(k-p) DPPH和ABTS⁺清除实验显示V-N3P清除效率约为V-N4的2.5倍。

图3. V-N3P通过调控巨噬细胞极化保护脓毒症肠损伤： (b) TEM显示V-N3P治疗维持CECs超微结构完整；(c) Kaplan-Meier显示V-N3P提高24 h生存率（CLP组40%）；(d-g) H&E显示V-N3P减轻结肠和小肠结构破坏、炎症浸润；(h-k) ELISA显示V-N3P降低血清IL-6、IL-1β、DAO和TNF-α；(l-m) WB显示V-N3P恢复MUC2表达；(n) 免疫荧光显示V-N3P降低CD86⁺F4/80⁺（M1）比例、升高CD206⁺F4/80⁺（M2）；(o) IHC显示V-N3P降低IL-6、TNF-α和IL-1β表达；(p) 免疫荧光显示V-N3P恢复紧密连接蛋白ZO-1和Occludin。

图4. V-N3P体外抑制M1巨噬细胞极化： (a) TEM显示V-N3P被RAW264.7内吞；(b) CCK-8显示60 ng/mL无显著细胞毒性；(c-h) RT-qPCR显示V-N3P下调M1标志物（IL-6、IL-1β、IL-18、iNOS、TNF-α）mRNA，上调M2标志物IL-10；(i-j) 流式显示V-N3P降低LPS诱导的ROS水平；(k) 免疫荧光显示V-N3P抑制CD86⁺细胞、促进CD206⁺细胞。

图5. V-N3P通过GPR110调控巨噬细胞极化： (a-d) 转录组分析显示DEGs富集于MAPK、NF-κB、Jak-STAT通路，RGS蛋白参与GPCR信号调控；(e-f) WB显示V-N3P下调GPR110，GPR110激动剂P12 acetate逆转此效应；(g-l) RT-qPCR显示GPR110激动剂逆转V-N3P对M1/M2标志物的调控；(m-n) 流式显示GPR110激动剂逆转V-N3P的ROS抑制作用；(o) 免疫荧光三标显示GPR110在CD86⁺F4/80⁺ M1巨噬细胞中高表达，在CD206⁺F4/80⁺ M2中低表达；(p-u) WB显示V-N3P上调A20和p-STAT3/STAT3，下调p-JNK/JNK、p-NF-κB/NF-κB和p-ERK/ERK，GPR110激动剂逆转这些效应。

图6. GPR110介导V-N3P在脓毒症小鼠中的保护作用： (a-b) WB验证AAV介导的肠道巨噬细胞特异性GPR110过表达；(c-d) ELISA显示GPR110过表达逆转V-N3P对IL-1β和IL-6的抑制；(e-g) H&E显示GPR110过表达逆转V-N3P对结肠和回肠黏膜的保护；(h-i) 多重免疫荧光显示GPR110过表达逆转V-N3P对CD86⁺ M1的抑制和CD206⁺ M2的促进；(j) 免疫荧光显示GPR110过表达破坏V-N3P对ZO-1和Occludin的恢复；(k-p) RT-qPCR显示GPR110过表达逆转V-N3P对M1/M2相关基因的调控；(q-x) WB显示GPR110过表达完全逆转V-N3P对MUC2、A20、p-STAT3/STAT3的恢复及对MAPK/NF-κB磷酸化的抑制。

图7. 猪脓毒症模型中GPR110介导V-N3P的保护作用： (a) 猪CLP模型实验流程；(b-c) H&E显示V-N3P减轻结肠组织损伤，GPR110激动剂P12 acetate加重损伤；(d) 免疫荧光显示GPR110激动剂逆转V-N3P对ZO-1和Occludin的恢复；(e) 免疫荧光显示GPR110激动剂逆转V-N3P对M1/M2极化的调控；(f-o) WB显示GPR110激动剂逆转V-N3P对MUC2、A20、p-STAT3/STAT3及MAPK/NF-κB磷酸化的调控；(p-r) RT-qPCR显示GPR110激动剂逆转V-N3P对IL-1β、TNF-α和IL-6的下调。

结论

本研究开发了具有V-N3P配位结构的钒单原子催化剂，通过磷诱导的电荷离域增强纳米酶活性，实现高效ROS清除。V-N3P通过下调GPR110，抑制JNK/NF-κB/ERK促炎信号通路并激活A20/STAT3抗炎轴，恢复巨噬细胞M1/M2极化稳态，从而在鼠和猪脓毒症模型中保护肠道黏膜屏障、减轻多器官损伤并提高生存率。该工作首次揭示了GPR110在脓毒症肠损伤中的促炎功能及V-SACs通过该靶点的免疫调控机制，为单原子纳米酶在炎症性疾病治疗中的应用提供了新范式。

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