IF：15.7《NC》华南理工大学王辉：一种具有诱导线粒体自噬能力和红色荧光特性的线粒体靶向氟聚合物纳米颗粒用于治疗动脉粥样硬化

研究背景：

动脉粥样硬化（AS）是一种与慢性炎症和线粒体功能障碍密切相关的血管疾病。病变中，巨噬细胞吞噬氧化低密度脂蛋白（oxLDL）后形成泡沫细胞，堆积在动脉壁，导致脂质斑块和炎症反应。传统疗法难以同时解决脂质代谢紊乱、炎症持续和线粒体损伤三大核心问题，因此亟需开发能精准靶向病变线粒体、诱导线粒体自噬（mitophagy）并实时示踪的新型干预策略。

针对上述问题，华南理工大学王辉、华东师范大学程义云、上海交通大学王长平团队合成了一种自带红色荧光、可自发形成纳米粒子的氟化聚吡啶盐（PF）。该材料借助氟烷链的强疏水性和正电性，高效靶向泡沫细胞线粒体，在生理环境中稳定发光，实现体内外实时成像。PF通过选择性诱导线粒体自噬，恢复线粒体膜电位与ATP生成，促进胆固醇外排，减少脂质滴和DNA损伤；同时抑制M1型、促进M2型巨噬细胞极化，降低TNF-α、IL-6等炎症因子。在ApoE−/−动脉粥样硬化小鼠模型中，每周两次静脉注射PF 8周后，斑块面积缩小75%以上，胶原含量增加，动脉自噬标志物升高，且主要器官未见毒性，为AS治疗提供了安全有效、可示踪的纳米药物新方案。该文章于2025年11月07日以《A mitochondria-targeted fluoropolymer nanoparticle with inherent mitophagyinducing and red fluorescence properties for treatment of atherosclerosis》为题发表于《Nature Communications》（DOI:10.1038/s41467-025-64813-0）。

图1 氟化聚吡啶盐（PF）治疗动脉粥样硬化示意图。（a）PF纳米颗粒在生理条件下具有固有红色荧光，可用于细胞及体内示踪；（b）ApoE−/−小鼠模型中PF纳米颗粒治疗动脉粥样硬化的流程示意；（c）PF纳米颗粒诱导泡沫细胞线粒体自噬并促进巨噬细胞向M2型极化，发挥抗动脉粥样硬化作用

（1）PF 的合成及其荧光特性

季铵化策略赋予PF水相红色荧光。在水中，PF仍保持561 nm激发的明亮红光，而PC几乎无信号，说明氟烷链的疏水屏蔽阻止水分子猝灭电荷转移发光；（c、d）这一“氟屏蔽”优势在生理盐水、PBS及DMEM培养基中同样显著，PF仍保持高强度红光发射，PC则无法检测到信号，证明其荧光稳定性不受离子强度与蛋白存在影响。（e）借助这一固有且水相稳定的红色荧光，将PF与RAW264.7巨噬细胞共孵育4小时后，共聚焦显微镜下胞质内出现明亮红色荧光团，清晰勾勒出纳米颗粒的跨膜分布，为后续实时追踪其在动脉粥样硬化模型中的富集与治疗效果提供了直接成像手段。

（2）PF 的血清稳定性

氟烷链赋予PF在血浆中的胶体完整性。（f–i）在20%胎牛血清中，DLS与TEM显示PF仅轻微增大约几纳米，而PC因吡啶正电荷与血清蛋白静电结合、烷基链疏水聚集，迅速形成微米级团聚体；（j）肉眼可见PC溶液明显浑浊，PF保持澄清。（k、l）SDS-PAGE与BCA定量证实，PF表面吸附的蛋白量远低于PC，表现出优异的血清吸附抗性；即使FBS浓度升至50%，PF粒径仍无显著变化，且在高盐生理环境中同样保持尺寸稳定，为其静脉给药后的长循环和病灶富集奠定基础。

（3）PF生物相容性

氟烷链显著降低阳离子聚合物的细胞毒性。（m）在NIH 3T3成纤维细胞中，CCK-8结果显示32 μg/mL的PC已使细胞活性明显下降，而PF浓度升至80 μg/mL仍未见毒性；（n）BrdU实验进一步证实，PF处理组DNA合成水平与阴性对照相当，表明其不影响细胞增殖。这种安全性提升归因于氟烷链与磷脂膜相容性差，减少了膜破坏和氧化应激。综合可见，PF兼具水相红光发射、血清胶体稳定及低细胞毒性，为后续动脉粥样硬化治疗研究提供了安全可靠的载体基础。

图2 PF纳米颗粒的表征与细胞毒性。（a-d）PF（a、c）与PC（b、d）在水和DMEM中的561 nm激发荧光光谱，PF于各浓度均呈红色发射而PC几乎无信号；（e）16 μg/mL PF或PC与RAW264.7细胞共孵育4 h的共聚焦图像，仅PF组胞内可见明亮红色荧光；（f-i）TEM显示PF在水及20% FBS中保持纳米级分散，PC于血清内形成微米团聚；（j）10–50% FBS静置2 h后PC溶液浑浊，PF保持澄清；（k、l）SDS-PAGE与BCA证实PF吸附血清蛋白量远低于PC；（m）CCK-8检测NIH 3T3细胞活性，PF在80 μg/mL内无毒性；（n）EdU掺入显示PF处理组DNA合成水平与阴性对照相当，表明其不影响细胞增殖

（4）PF通过诱导线粒体自噬抑制泡沫细胞形成

（a）PF与mitoGFP-143B细胞共孵育1 h即出现红-绿荧光高度重叠（Pearson系数0.97），延长2 h仍稳定，证明其快速且持久地靶向线粒体；（b–g）在LPS+oxLDL诱导的泡沫细胞模型中，免疫荧光与Western blot显示LC3-II下降、p62与TOM20升高，提示基础自噬受抑；PF处理后LC3-II回升、p62及TOM20下降，证实其有效重启线粒体自噬。（h）BODIPY 493/503染色显示PF显著减少胞内脂质滴；（i）ATP含量与线粒体膜电位检测表明PF恢复能量生成与ΔΨm；（j）γ-H2AX荧光减弱，提示DNA损伤减轻；（k）TEM下泡沫细胞线粒体明显皱缩、嵴消失，PF干预后体积恢复、嵴重现，证实超微结构修复；（l）综上，PF靶向受损线粒体→激活自噬→改善脂质代谢与能量稳态→抑制泡沫细胞生成。

图3 PF诱导线粒体自噬恢复泡沫细胞线粒体功能。（a）mitoGFP-143B细胞与PF共孵育1 h与3 h的共聚焦图像；（b）PF处理6 h后泡沫细胞免疫荧光显示LC3（红）上调、p62（绿）下调，提示自噬激活；（c）TOM20（红）信号减弱，证实线粒体受损减轻；（d-g）Western blot及定量分析进一步确认LC3-II/I比值升高、p62与TOM20下降；（h）BODIPY 493/503染色显示PF显著减少胞内脂质滴；（i）ATP检测表明PF恢复细胞能量生成；（j）γ-H2AX荧光减弱，反映DNA损伤降低；（k）线粒体TEM图；（l）模式图总结

（5）PF 在巨噬细胞中发挥抗炎作用

（a、b）DCFH-DA染色显示，PF显著降低LPS诱导的RAW264.7细胞总ROS；（c–e）流式检测表明，PF将iNOS⁺ M1型比例由69.3%压至22.3%，同时把CD206⁺ M2型由0.13%升至14.9%，重塑巨噬细胞极化格局；（f、g）ELISA证实PF下调炎症因子IL-6与TNF-α的分泌水平。即使剂量提高到160 μg/mL（5×PF），PF仍保持同等抗炎效力，未见剂量依赖性毒性。上述结果说明PF通过抑制氧化应激和阻断NF-κB等炎症信号，在低浓度即可有效拮抗动脉粥样硬化相关的慢性炎症，且在高剂量下依旧安全，显示其良好的治疗窗口与生物相容性。

图4 PF对RAW264.7巨噬细胞的抗炎作用。（a、b）DCFH-DA染色及定量显示32 μg/mL PF显著降低LPS诱导的胞内总ROS；（c–e）流式检测表明，PF将iNOS⁺CD206⁻ M1型比例从69.3%降至22.3%，同时把iNOS⁻CD206⁺ M2型由0.13%提升至14.9%，5×PF（160 μg/mL）效果与常规剂量相当；（f、g）ELISA测定显示PF及5×PF均下调LPS刺激的IL-6与TNF-α分泌

（6）PF 通过脂质代谢调节恢复了泡沫细胞中的线粒体功能

转录组揭示PF通过重塑脂质代谢与氧化磷酸化抑制泡沫细胞形成。（a）差异表达基因火山图显示PF上调702基因、下调1329基因；（b）GO分析指出最显著变化的10条生物过程中有5条指向脂质代谢（固醇、胆固醇及类固醇生物合成等），其余富集于DNA复制与修复、内质网应激，提示PF同时纠正脂质稳态并增强基因组维护；（c）KEGG通路富集表明PF激活PPAR、MAPK、NF-κB及p53等动脉粥样硬化相关信号，并调控固醇骨架、不饱和脂肪酸、甘油磷脂与氨基酸代谢，从多途径干预泡沫细胞发育；（d–f）GSEA进一步证实PF显著上调线粒体小核糖体亚基、氧化磷酸化及ATP合成相关基因集，直接恢复线粒体能量工厂；（g）炎症相关基因集（IL-2家族、IL-5信号等）则被抑制，提示PF在转录水平同步抑制氧化应激与炎症反应。综上，PF通过重塑脂质代谢网络、增强氧化磷酸化及抑制炎症通路，全面逆转泡沫细胞能量与代谢失衡。

图5 PF对泡沫细胞的治疗机制。（a）泡沫细胞经PF处理后的差异表达基因火山图，红色为上调基因，蓝色为下调基因；（b）GO富集分析显示PF显著调控脂质代谢、DNA复制与修复及内质网应激相关生物过程；（c）KEGG富集分析揭示PF激活PPAR、MAPK、NF-κB等动脉粥样硬化相关通路，并干预固醇与不饱和脂肪酸生物合成；（d–g）GSEA分析进一步证实PF增强线粒体氧化磷酸化、ATP合成等能量代谢通路，同时抑制IL-2、IL-5等炎症信号通路

（7）PF 在动脉粥样硬化治疗中的应用

图6–7 PF纳米颗粒在ApoE−/−动脉粥样硬化小鼠中的治疗效果与机制。（a–d）活体荧光成像显示静脉注射6 h后PF富集于病变主动脉，健康血管信号微弱，且主要分布于肝、肾；（e）方案：高脂饮食9周后改为每周2次注射，持续8周；（f–g）Oil Red O与H&E染色显示PF-L（0.67 mg kg⁻¹）与PF-H（1.33 mg kg⁻¹）分别将斑块面积从25.1%降至7.4%与3.1%；（h）Masson三色染色表明PF显著增加斑块胶原含量，提示纤维帽稳定性增强；（i）免疫组化显示PF降低iNOS⁺ M1巨噬细胞、升高LC3并减少γ-H2AX阳性衰老细胞，证实其在斑块内抑制炎症、激活自噬并减轻DNA损伤；主要器官组织学未见毒性，且肝脏脂质沉积随PF治疗明显减少。综上，PF通过诱导线粒体自噬、抑制炎症与改善脂质代谢，有效逆转动脉粥样硬化并伴发脂肪肝病变，为后续临床转化奠定基础。

图6 PF治疗动脉粥样硬化的疗效。（a、b）静脉注射6 h后，PF荧光信号在AS模型小鼠主动脉内显著富集，健康对照仅见本底；（c、d）主要器官荧光成像显示PF主要分布于肝、肾，动脉病变区信号持续增强；（e）治疗方案示意：高脂喂养9周后，ApoE⁻/⁻小鼠分PBS、PF-L（0.67 mg kg⁻¹）与PF-H（1.33 mg kg⁻¹）两组，每周2次静脉给药共8周；（f、g）Oil Red O染色显示PF-L与PF-H分别将主动脉斑块面积由25.1%降至7.4%与3.1%；（h）H&E切片证实PF治疗显著减少斑块厚度并恢复血管结构；（i）模式图总结PF通过抑制脂质沉积、稳定纤维帽实现抗动脉粥样硬化效果

图7 PF治疗动脉粥样硬化的机制。（a、e）Masson三色染色显示PF显著增加主动脉根部斑块胶原含量，提示纤维帽稳定性增强；（b、f）免疫组化显示PF降低iNOS阳性M1巨噬细胞浸润，抑制炎症；（c、g）LC3B表达升高，表明PF激活斑块内自噬；（d、h）γ-H2AX阳性细胞减少，反映DNA损伤和细胞衰老减轻；（i）肝组织H&E染色显示PF治疗减少脂质沉积，改善伴发的脂肪肝病变

「 研究小结 」

本研究构建了一类具有线粒体靶向、水相红色荧光和抗蛋白吸附特性的氟化聚吡啶盐纳米颗粒（PF）。在细胞层面，PF通过诱导选择性线粒体自噬，清除受损线粒体、抑制ROS产生，恢复能量代谢与胆固醇外排，阻断泡沫细胞形成；同时促使巨噬细胞由促炎M1向修复M2极化，显著降低IL-6、TNF-α等炎症因子。在ApoE⁻/⁻动脉粥样硬化小鼠中，静脉注射的PF凭借ELVIS效应富集于动脉斑块，两次/周0.67–1.33 mg kg⁻¹剂量持续8周，即可将斑块面积由25.1%降至3.1%，增加胶原含量、稳定纤维帽，并减少DNA损伤与细胞衰老，且对主要器官无明显毒性，伴发脂肪肝亦得到改善。该工作揭示了“氟屏蔽+线粒体靶向”策略可同时调控能量代谢、脂质稳态与免疫微环境，为线粒体功能障碍相关慢性炎症疾病提供了一种安全、高效、可实时追踪的单组分纳米治疗平台。