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创伤性脊髓损伤（SCI）是一种复杂的神经病理学疾病，严重影响患者的健康状况，迫切需要寻求有效的抗氧化和抗炎疗法。
2024年10月12日，四川大学程冲及廖立共同通讯在Advanced Materials 在线发表题为“Constructing Electron-Rich Ru Clusters on Non-Stoichiometric Copper Hydroxide for Superior Biocatalytic ROS Scavenging to Treat Inflammatory Spinal Cord Injury”的研究论文。该研究创新性地在含氧空位缺陷的非化学计量氢氧化铜上构建了电子钌簇（Ru/def-Cu(OH)2），该簇可作为生物催化活性氧（ROS）清除剂，有效抑制炎症级联反应并调节SCI中的内源性微环境。
研究表明，独特的氧空位促进电子在Ru团簇上的再分布，放大了电子积累，从而增强了Ru/def-Cu(OH)2在含氧中间体多电子反应中的催化活性。Ru/def-Cu(OH)2能够改善ROS介导的神经元死亡，并通过抑制炎性巨噬细胞反应促进修复性微环境，同时增强神经干细胞、抗炎巨噬细胞和少突胶质细胞的活性，有效修复创伤性SCI。Ru/def-Cu(OH)2表现出前所未有的生物催化性质，为开发清除ROS的抗炎材料提供了一种有效方法，用于治疗创伤性SCI和一系列与氧化应激相关的其他疾病。
创伤性脊髓损伤（SCI）具有复杂的神经病理学机制，由外部创伤引起，最终导致持久的感觉和运动缺陷。虽然SCI的治疗方法很多，但大多数效果不佳。甲泼尼龙琥珀酸钠已用于急性SCI的临床治疗，但其疗效不佳，副作用严重。脊髓损伤后，创伤引发炎症级联反应，释放出的活性氧（ROS）激增，引发超越生理阈值的氧化应激。过量的ROS阻碍了受损神经元的再生，并加速轴突脱髓鞘。此外，SCI发生后小胶质细胞和外周巨噬细胞的早期激活和浸润加剧了神经功能障碍。在损伤部位靶向消除ROS可以有效保护脊髓的结构完整性并抑制巨噬细胞活化，二者都是SCI恢复不可或缺的一部分。因此，有效的ROS清除对于保护神经元和神经胶质细胞以及减弱巨噬细胞活化至关重要。生物系统中，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）等内源性抗氧化酶，通过中和ROS并将其转化为无害的副产物维持细胞氧化还原平衡。但天然抗氧化剂存在高抗原性、不稳定性和递送受阻等局限性，阻碍了其在氧化应激相关疾病中的治疗。因此，相关学者正研究如何复制天然抗氧化酶的作用机制，以制备用于抗氧化疗法的新型生物催化ROS清除材料。近年来，金属簇、金属氧化物和金属氢氧化物在ROS清除和细胞保护中的应用收到了广泛关注，尤其是开发具有高生物相容性和生物降解性的金属氢氧化物，以用于抗氧化治疗。有研究报道了镁铝分层双氢氧化物在缺血再灌注损伤治疗中的应用，用于结肠炎治疗的氢氧化钴纳米片，和氢氧化钴铝模拟SOD活性以减轻线粒体中的氧化应激损伤等。其中，铜在人体生理学中作为微量元素以及各种酶（如酪氨酸酶和铜锌（Zn）SOD）的核心成分起着重要作用，铜基氢氧化物（Cu(OH)2）已引发了广泛关注。然而，原始Cu(OH)2材料的ROS清除能力有限且应用范围较窄，无法清除SCIs高ROS条件下普遍存在的多种ROS物质，迫切需要设计基Cu(OH)2的高效广谱ROS清除材料。图1 Ru/def-Cu(OH)2抑制炎症级联反应并调节内源性微环境以修复SCI示意图（摘自Advanced Materials ）研究表明，设计有效的生物催化ROS清除剂的瓶颈在于解决H2O2分子和氧自由基的复杂多电子反应，但近年来并未取得较大收获。因此，需要设计富电子催化中心，提高电子转移的可及性，继而促进涉及含氧中间体的多电子反应。通过非化学计量工程或空位工程引入富含电子的催化位点，可以显著增强缺陷位点的电子再分布并放大电子累积，是解决多电子反应的一种重要方法，但这一概念在生物催化和组织再生领域尚未得到充分探索。因此，作者预计通过氧空位缺陷在Cu(OH)2底物上构建富电子催化位点的方法可以为制备生物催化活性氧清除剂奠定基础，且此类清除剂应具备优异的功效、最小的毒性和广谱的抗氧化性能。作者在含有氧空位缺陷的非化学计量氢氧化铜上构建了富电子Ru簇Ru/def-Cu(OH)2，其可以作为生物催化ROS清除剂，有效抑制炎症级联反应并调节SCI中的内源性微环境。该研究的作用机制主要包括两个方面：1）Cu(OH)2底物中独特的氧空位促进电子再分布，并放大Ru簇中的电子积累，从而增强Ru活性位点与含氧物质的相互作用，增加了生物催化ROS清除能力；2）Ru/def-Cu(OH)2具有优异的广谱抗氧化能力，在SCI炎症微环境中有效对抗氧化应激农民和恢复生理功能。值得注意的是，实验和理论分析表明，氧空位的形成暴露了Cu(OH)2基质中更多的非化学计量Cu原子，从而提高了Ru团簇的电子密度，有助于克服含氧物质的多电子反应的挑战并增强生物催化ROS清除活性。如对于H2O2的类CAT催化清除，Ru/def-Cu(OH)2显示出Vmax=68.26 μM/s和5.60 s-1的周转数（TON），大大超过了文献中报道的最先进的生物催化材料。因此，Ru/def-Cu(OH)2的抗氧化能力可以通过减弱ROS诱导的细胞损伤来减少死亡神经元的数量，并通过抑制巨噬细胞活化和激发神经干细胞、抗炎巨噬细胞（M2）和少突胶质细胞来形成促修复微环境，有效修复创伤性SCI。值得注意的是，Ru/def-Cu(OH)2表现出前所未有的生物催化抗氧化能力，为开发用于治疗创伤性SCI和氧化应激相关其他疾病的ROS清除及抗炎材料提供了有效方法。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202411618?saml_referrer![]()
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