基于胆绿素的多功能MnO?纳米酶可缓解氧化应激并减轻胰岛移植过程中的免疫排斥反应

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Multifunctional Biliverdin-Based MnO? Nanozyme Alleviates Oxidative Stress and Immune Rejection in Islet Graft Protection

本研究开发了一种基于胆绿素的二氧化锰纳米酶（BV-MnO?），通过催化分解过氧化氢缓解移植微环境缺氧和氧化应激，同时抑制T细胞活化、促进免疫耐受，显著延长胰岛移植存活期超过35天，并实现MRI实时监测。

　　胰岛移植是目前唯一能够恢复1型糖尿病患者内源性胰岛素分泌并实现长期血糖控制的微创治疗手段。然而，早期移植物丢失仍然是其临床应用的一大障碍，主要原因是移植部位的缺氧应激和免疫排斥反应的共同作用。为了应对这些挑战，本研究开发了一种基于胆绿素（biliverdin，BV）的二氧化锰（manganese dioxide，MnO?）纳米酶（BV-MnO?），其具有类过氧化氢酶（catalase）的活性。该纳米酶能够将过量的过氧化氢（H?O?）分解为分子氧（O?），从而缓解局部缺氧微环境，降低氧化应激。此外，胆绿素的引入赋予了纳米酶抗炎和免疫调节的功能，能够有效抑制T细胞激活，促进免疫耐受。体外和体内实验表明，BV-MnO?显著提升了胰岛细胞的存活率，保持了胰岛素分泌功能，抑制了炎症浸润，并显著延长了移植物的存活时间，使移植后血糖维持在正常水平超过35天。同时，Mn2?的释放使得该纳米酶具备磁共振成像（MRI）监测移植物存活状态的能力，从而实现了治疗与诊断的结合（theranostic potential）。这些发现表明，BV-MnO?作为一种集抗氧化保护、免疫调节和实时成像于一体的纳米药物平台，为改善临床胰岛移植的疗效和监测手段提供了多方面的策略。

糖尿病仍然是全球范围内最常见且经济负担最重的疾病之一。据国际糖尿病联盟（International Diabetes Federation）统计，全球约有4.25亿人受到糖尿病的影响，其中约10%患有1型糖尿病（T1D）[1,2]。T1D是一种慢性自身免疫性疾病，其特征是胰岛素分泌细胞——胰腺β细胞的选择性破坏，最终导致持续性的高血糖状态[3]。在过去三十年中，胰岛移植技术从一种实验性治疗手段发展成为一种可行的临床治疗方法。尽管取得了显著进展，但胰岛移植的广泛应用仍受到供体器官短缺和患者需要终身免疫抑制治疗的限制。此外，大量移植的胰岛细胞在植入后不久便因不利的微环境而丢失，这成为移植效果不佳的主要原因之一。在这些因素中，缺氧应激和免疫介导的排斥反应是导致早期移植物失败的关键原因[4,5]。因此，开发能够缓解缺氧和抑制免疫反应的策略，对于提升移植效果和减少对供体的需求至关重要。

胰岛细胞相较于胰腺的外分泌细胞更容易受到缺氧损伤，并且在缺氧条件下会迅速丧失其分泌胰岛素的能力[6]。缺氧会引发一系列有害的连锁反应，包括氧化应激、炎症反应和免疫系统的激活，这些因素协同作用，最终导致胰岛移植后的不可逆损伤。过量的活性氧（reactive oxygen species，ROS）是氧化应激的标志性特征，它们通过氧化生物大分子并启动细胞凋亡信号通路，导致胰岛细胞的坏死或凋亡[7]。已有研究表明，清除过量的ROS可以显著改善移植物的存活率和功能[8,9]。例如，Barra等人开发了一种基于单宁酸的纳米壳涂层，具有清除ROS和抗炎的功能，成功延长了糖尿病小鼠的血糖正常状态[10]。然而，仅清除ROS不足以维持胰岛功能。另一个重要的挑战是移植部位氧气供应不足。为了解决这一问题，已经探索了多种氧气输送系统，如基于血红蛋白的载体和氧合的全氟碳化合物[11,12]。近年来，纳米技术的发展使得在移植部位开发可植入的氧气生成颗粒成为可能[13,14,15,16]。其中，二氧化锰纳米颗粒尤其具有前景，因为它们可以通过催化分解过氧化氢（H?O?）生成氧气，从而逆转氧化应激过程并减轻缺氧状态[17]。将基于二氧化锰的纳米颗粒与胰岛细胞共同移植，可能有助于提高细胞植入效率。此外，由于二氧化锰具有红ox响应性降解特性，其释放的Mn2?离子不仅可以作为磁共振成像（MRI）的对比剂，还能够实现对移植物状态的实时监测。

缺氧和氧化应激引起的细胞损伤还可能导致抗原的释放，进而激活同种异体T细胞，加剧免疫排斥反应[18,19,20]。在此背景下，胆绿素（BV）作为一种绿色胆色素，是血红素降解过程中的中间产物，因其具有抗炎、抗氧化和免疫抑制的特性而受到关注[21,22]。BV通过调控NF-κB/iNOS信号通路发挥其生物学作用[23]，并且已被证实能够减轻糖尿病小鼠的血糖异常[24]。值得注意的是，BV能够抑制同种异体免疫反应，这在小鼠心脏移植模型中得到了验证。在该模型中，BV通过阻断NFAT/NF-κB的激活，抑制了T细胞增殖和IL-2的产生，从而有效控制免疫排斥反应[25]。

本研究通过利用锰离子与包被白蛋白的胆绿素之间的生物矿化过程，开发了一种仿生的核心-壳结构纳米颗粒系统（BV-MnO?）。其中，胆绿素核心不仅作为治疗剂，还作为结构模板，而二氧化锰外壳则提供了催化清除ROS、生成氧气以及MRI成像的功能。这种多功能的纳米颗粒平台与胰岛细胞共同移植，旨在通过缓解缺氧、抑制氧化应激和调节免疫反应，提高细胞存活率和移植物功能。研究结果表明，这种协同策略能够显著改善胰岛移植的疗效，并为临床转化提供了有前景的途径。

为了评估BV-MnO?纳米颗粒的功能，我们首先对BSA-MnO?纳米颗粒进行了表征，作为对照组以分析胆绿素功能化后的特定效果。BSA-MnO?纳米颗粒是由锰离子在牛血清白蛋白（BSA）上进行生物矿化形成的，用于比较BV-MnO?的性能。BV-MnO?纳米颗粒的制备首先通过溶液颜色的变化得到证实，即从绿色变为棕色，并伴随着丁达尔效应的出现（图1A），这表明MnO?的沉积和纳米颗粒的形成。此外，紫外-可见吸收光谱进一步验证了BV-MnO?纳米颗粒的生成，显示出其独特的光谱特征。这些表征结果为后续的生物学和药理学研究提供了基础。

在本研究中，我们系统地探讨了BV-MnO?纳米颗粒在胰岛移植中的作用机制。首先，通过体外实验，我们评估了该纳米颗粒对胰岛细胞存活率和胰岛素分泌功能的影响。结果显示，BV-MnO?能够显著提高胰岛细胞的存活率，并维持其正常的胰岛素分泌能力。其次，我们进行了体内实验，以评估其在移植后对移植物存活和功能的影响。实验结果表明，BV-MnO?能够有效抑制炎症浸润，延长移植物的存活时间，并在移植后超过35天内维持正常的血糖水平。此外，Mn2?的释放使得该纳米颗粒具备MRI成像的能力，从而能够实时监测移植物的状态。这些结果表明，BV-MnO?不仅能够改善胰岛移植后的微环境，还能够为临床监测提供重要的技术支持。

在讨论部分，我们进一步分析了BV-MnO?纳米颗粒在胰岛移植中的应用前景。胰岛移植作为一种有前景的治愈性方法，为1型糖尿病患者提供了无需长期依赖外源性胰岛素治疗的可能性。然而，其广泛应用仍受到移植物丢失的限制，主要原因是移植后的氧化应激、缺血、免疫排斥和再血管化不足。其中，早期移植物失败的关键因素是缺氧和氧化应激共同作用形成的不利微环境，这不仅影响胰岛细胞的存活，还可能进一步加剧免疫反应。因此，开发能够缓解缺氧和抑制免疫反应的策略，对于提升胰岛移植的临床效果至关重要。

在结论部分，我们总结了本研究的主要发现。我们开发了一种基于胆绿素的多功能二氧化锰纳米颗粒系统（BV-MnO?），该系统能够有效改善移植胰岛的存活率和功能，通过调控局部的缺氧和免疫微环境。与单独使用胆绿素或BSA-MnO?相比，BV-MnO?表现出更强的抗氧化能力、更持久的氧气生成和更显著的免疫抑制效果。从机制上来看，BV-MnO?能够清除过量的活性氧，恢复胰岛细胞的正常功能，并通过抑制T细胞的激活和炎症反应，促进免疫耐受。这些结果表明，BV-MnO?作为一种整合了抗氧化保护、免疫调节和实时成像功能的纳米药物平台，为提高胰岛移植的疗效和实现临床监测提供了全新的思路。

在数据可用性声明中，我们指出相关数据将在合理请求的情况下提供。同时，作者们声明不存在任何利益冲突。本研究得到了多项基金的支持，包括国家自然科学基金（82372112）、浙江省自然科学基金（LY23H300003）、浙江省医学和健康科技计划（2022KY881）、浙江省教育厅（Y202353213）、温州市科技局（Y20220908）以及国家级大学生创新创业训练计划项目（202410343054）。此外，我们还要感谢温州医科大学药学院的科研中心在本研究中提供的支持和帮助。

综上所述，本研究开发的BV-MnO?纳米颗粒系统为胰岛移植提供了一种创新的解决方案。通过结合抗氧化、免疫调节和成像功能，该系统能够有效缓解移植部位的缺氧应激和免疫排斥反应，从而显著提高胰岛细胞的存活率和功能。这一研究不仅为1型糖尿病的治疗提供了新的思路，也为纳米医学在临床中的应用开辟了新的方向。未来的研究将进一步探索该纳米颗粒系统的安全性、长期效果以及在其他器官移植中的潜在应用，以期实现更广泛和有效的临床转化。