摘要：还原应激，作为对细胞内抗氧化物质（如NAD(P)H和GSH）的过度积累的反应，可能导致细胞功能的异常。目前的研究主要集中在氧化应激反应对细胞的影响，然而，近年来，关于还原应激的研究逐渐受到关注，尤其是在癌症、神经退行性疾病等病理状态中的作用。ENMs通过模仿天

研究背景

还原应激，作为对细胞内抗氧化物质（如NAD(P)H和GSH）的过度积累的反应，可能导致细胞功能的异常。目前的研究主要集中在氧化应激反应对细胞的影响，然而，近年来，关于还原应激的研究逐渐受到关注，尤其是在癌症、神经退行性疾病等病理状态中的作用。ENMs通过模仿天然酶的功能，能够催化代谢过程中的还原反应，这一特性使它们在催化合成、环境净化及生物医学领域具有潜在应用价值。然而，ENMs的暴露可能引发的还原应激对免疫系统的影响仍需进一步研究。

成果简介

基于此，苏州大学李瑞宾教授、中科院国家纳米科学中心陈春英院士等人合作开发了一种新型的脱氢酶类纳米材料MoB2，该材料能够有效催化NAD(P)+向NAD(P)H的转化，促进细胞代谢过程中的还原反应，从而引发还原应激。该研究以“Intracellular dehydrogenation catalysis leads to reductive stress and immunosuppression”为题，发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。

作者简介

陈春英，中国科学院院士，国家纳米科学中心研究员、博士生导师，新基石研究员。国家杰出青年科学基金获得者，中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室副主任，先后担任国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、“纳米前沿”重点专项首席科学家。1996年在华中科技大学获得博士学位，之后在中科院高能物理研究所、瑞典卡罗林斯卡大学诺贝尔医学生物化学研究所从事博士后研究工作。2002年在中科院高能所纳米生物效应与安全实验室，任课题组长。2006年6月加入国家纳米科学中心。先后主持科技部国家重点研发计划“纳米科技”重点专项和“纳米前沿”重点专项、国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金委重大研究计划重点支持项目、欧盟第六、第七框架计划(EU-FP6&FP7)、欧盟“地平线2020”计划、德国联邦教育与研究部合作项目、丹麦战略研究委员会项目、丹麦科技与创新局项目、国际原子能机构协调研究计划(IAEA)等多项国内与国际合作项目。先后当选中国化学会会士、美国医学与生物工程院会士、英国皇家化学会会士。应邀担任著名国际组织ISO、WHO和OECD的专家。

研究亮点

1、还原应激的机制阐明：本文首次揭示了通过纳米材料模拟脱氢酶活性，显著加速细胞代谢中的脱氢反应，从而导致NAD(P)H和GSH等还原性物质的积累，进而引发还原应激的发生。

2、免疫系统的抑制作用：研究发现，MoB2等纳米材料引发的还原应激不仅会改变免疫细胞群体的比例，还会导致免疫抑制细胞（如M2型巨噬细胞和Treg细胞）的增加，同时促使免疫抑制性细胞因子（IL-10、TGF-β等）的分泌。

3、还原应激在肿瘤转移中的作用：研究表明，MoB2引发的还原应激通过改变免疫反应，进一步加剧了肿瘤的转移和免疫逃逸过程，为未来癌症治疗中的纳米材料应用提出了重要的安全性考量。

图文导读

图1 ENMs对细胞氧化还原平衡的影响

图1展示了纳米材料（ENMs）对细胞内红氧化还原平衡的影响，特别是MoB2对ROS（反应性氧种）和GSH（谷胱甘肽）的作用。研究使用了热图显示了在不同浓度下（0-50 μg/mL）MoB2、BN、NiO等多种纳米材料处理THP-1细胞后的变化。图1a中的数据表明，MoB2显著增加了细胞内的ROS和GSH水平，表明其能够引发还原应激。而其他纳米材料，如BN和NiO，对ROS的产生没有明显影响，表明这些材料在氧化还原平衡中的影响较小。此外，MoB2的作用不仅限于ROS的积累，还可能涉及GSH的过度积累，这一现象被认为是还原应激的典型标志。图1b和图1c的数据显示，MoB2能够显著影响细胞内的氧化还原状态，诱导还原应激，并且这一效应在不同类型的细胞中均得到了验证。

图2 TMBs的脱氢酶活性评估

图2展示了MoB2作为脱氢酶类纳米材料的催化活性。图2a通过比色分析，展示了MoB2与传统脱氢酶在不同底物和NAD+的作用下催化NAD(P)+转化为NAD(P)H的效果。结果表明，MoB2能够在没有外源酶的情况下催化底物转化，生成大量的NAD(P)H，且其催化效果显著高于其他材料如BN和NiO。图2b进一步定量分析了MoB2在不同底物反应中的NAD(P)H生成量，结果显示，MoB2在LA底物的催化下，转化率达到64%-86%。图2c通过X射线衍射（XRD）分析验证了MoB2在催化过程中的形态和结晶性稳定性，结果表明其在反应前后保持较好的稳定性。

图2d则通过Michaelis–Menten曲线显示了MoB2与传统脱氢酶在不同乳酸浓度下的反应速率，表明MoB2的最大反应速率（Vmax）与LDH相似，而亲和力（Km）也接近传统脱氢酶。图2e展示了MoB2的脱氢酶类活性与细胞内NADH/NAD+比率的关系。通过H2O2处理抑制MoB2的活性，结果显示，MoB2活性的降低导致细胞内NADH/NAD+比率的下降，表明MoB2的催化活性与还原应激的诱发紧密相关。

图3 TMB诱导的体外免疫反应

图3展示了MoB2对小鼠骨髓来源巨噬细胞（BMDMs）分化和免疫反应的影响。图3a展示了MoB2对BMDMs的影响以及经过MoB2处理后巨噬细胞的表型变化。BMDMs在暴露于MoB2后，使用抗F4/80和CD206抗体进行染色，流式细胞术分析显示，MoB2显著促进了M2型巨噬细胞的分化（CD206+），而M1型巨噬细胞（CD80+）的比例显著减少。图3b展示了MoB2对BMDM极化的影响，进一步定量分析了M1和M2型巨噬细胞的比例变化。

MoB2处理导致了M1型巨噬细胞（促炎型）的显著减少（CD80+），而M2型巨噬细胞（抗炎型）增加，提示MoB2通过引发还原应激改变了巨噬细胞的极化状态，增强了免疫抑制反应。图3c展示了MoB2对细胞因子分泌的影响。MoB2处理的BMDMs显著提高了抗炎细胞因子如IL-10和TGF-β的分泌，同时维持了TNF-α和IL-1β的分泌水平。

图4 TMB诱导的小鼠肺还原应激和免疫抑制

图4展示了MoB2引发的小鼠肺部还原应激和免疫抑制作用。图4a显示，MoB2显著提高了肺部巨噬细胞中的GSH水平，表明MoB2暴露引发了还原应激。图4b展示了MoB2处理后小鼠肺部的NADH/NAD+比率显著增加，进一步验证了MoB2在肺部引发了还原应激。图4c通过t-SNE图展示了MoB2处理后肺部免疫细胞的变化，尤其是免疫抑制性细胞（如M2型巨噬细胞和Treg细胞）的显著增加。图4d和图4e进一步分析显示，MoB2处理后，免疫抑制细胞群体增多，免疫增强细胞（如CD8+ T细胞）减少，导致免疫抑制环境的形成。图4f展示了MoB2处理显著提升了免疫抑制分子（如IL-10、TGF-β）的表达，进一步验证了其在免疫抑制中的作用。

图5 MoB2对荷瘤小鼠肺转移的影响

图5展示了MoB2对乳腺癌小鼠肺部转移的影响。图5a展示了MoB2暴露对乳腺癌小鼠模型的影响。在该模型中，通过口咽吸入的方式将MoB2暴露于小鼠肺部，研究了MoB2在肿瘤进程中的作用。图5b通过IVIS成像显示，MoB2处理组小鼠的肺部转移灶明显增多，证明MoB2显著促进了肿瘤细胞的肺部转移。图5c进一步通过泡沫图展示了不同组小鼠肺部转移灶的数量和大小，结果表明MoB2处理组的转移灶更为显著，尤其是在大于40mm³的转移灶发生频率较高。图5d通过H&E染色和免疫组化分析显示，MoB2暴露组小鼠肺部转移灶周围有大量CD206+ M2型巨噬细胞和FOXP3+ Treg细胞聚集，且CD8+ T细胞数量显著减少，进一步支持MoB2引发免疫抑制微环境。图5e展示了MoB2处理组小鼠肺部免疫因子的变化。IL-10和TGF-β的水平显著升高，而IFN-γ也呈现出增高趋势，表明MoB2促进了免疫抑制因子的产生，有助于肿瘤逃逸。图5f展示了MoB2引发的还原应激和免疫抑制通过脱氢反应促进了肿瘤转移，揭示了其在癌症治疗中的潜在风险。

总结展望

本研究揭示了纳米材料引发的还原应激机制，并阐述了其在肿瘤免疫逃逸和转移中的作用。研究表明，纳米材料不仅影响细胞的代谢过程，还可能通过改变免疫微环境促进肿瘤的转移。这为未来在纳米毒理学和肿瘤治疗中的应用提供了新的视角和挑战。未来的研究需要进一步探索不同类型纳米材料的作用机制，并评估它们在临床应用中的安全性。

文献信息

Intracellular dehydrogenation catalysis leads to reductive stress and immunosuppression. Nature Nanotechnology, https://doi.org/10.1038/s41565-025-01870-y.

来源：华算科技