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沈阳药科大学赵勤富等综述: 聚多巴胺纳米平台抗氧化及氧化应激疾病研究进展

  • Nano-Micro Letters 发布于 2026-06-16
  • 分类：化学科学
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Advances in polydopamine-based nanoplatforms: antioxidant mechanisms and applications in oxidative stress-mediated diseases

Zhilin Wang1, Zhu Liu1, Luming Song1, Xinyi Zhao, Shuaipeng Feng, Donghua Di, Hao Ju*, Long Wan*, Qinfu Zhao*

Nano-Micro Letters (2026)18: 372

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02205-9

本文亮点

1. 机制全景解析：系统揭示了聚多巴胺(PDA)通过氢原子转移(HAT)与电子转移(ET)协同、儿茶酚/醌动态氧化还原循环实现的持续抗氧化机制，超越传统小分子抗氧化剂。

2. 结构–性能构效关系：从固态、介孔、中空到掺杂与包覆结构，系统总结了PDA基纳米平台的形貌、尺寸、表面电荷对抗氧化活性的调控规律。

3. 病理导向的应用逻辑：围绕“ROS-炎症正反馈”、“生物屏障穿透”、“再生微环境重塑”、“程序性细胞死亡调控”四大病理挑战，构建了PDA基纳米平台的设计范式。

研究背景

氧化应激是多种炎症、神经、缺血、退行性疾病的共同病理基础。尽管天然抗氧化酶(如SOD、CAT)具有高效催化活性，但其稳定性差、成本高、易失活。小分子抗氧化剂则存在选择性低、生物利用度差等问题。近年来，纳米抗氧化剂因其稳定性、多功能性和可调控性而备受关注。其中，PDA作为一种类黑色素仿生聚合物，不仅具备优异的生物相容性和粘附性，更通过儿茶酚/醌的动态氧化还原网络实现持续、多机制的ROS清除能力。然而，截至目前，尚缺乏一篇系统整合PDA抗氧化机制、结构调控策略、病理应用逻辑与临床转化考量的综述，本综述旨在填补这一空白。

内容简介

针对氧化应激相关疾病中传统抗氧化剂稳定性差、选择性低、难以兼顾多重病理机制的瓶颈，沈阳药科大学赵勤富教授团队及中国医科大学万龙老师团队系统梳理了PDA基纳米平台从“化学机制”到“病理应用”的完整内容。该文以“病理挑战”为纲，将PDA的设计逻辑归纳为五大战略：切断ROS-炎症循环、穿越生理屏障、重塑再生微环境、干预程序性细胞死亡以及利用材料本征功能。文章进一步揭示了PDA并非单一清除剂，其儿茶酚/醌动态氧化还原网络、多重酶模拟活性及免疫调节功能，共同构成可持续的抗氧化防御体系。同时，从固态到介孔、中空、掺杂和包覆，不同结构各司其职，实现了活性位点暴露、载药能力与生物相容性的协同优化。更关键的是，作者首次系统讨论了PDA基纳米平台的药代动力学、长期安全性及规模化制备瓶颈，并提出了单原子工程、多组学与AI辅助设计等未来路径。这一综述为抗氧化纳米材料的理性设计提供了可操作的工程蓝图。

图文导读

I PDA的抗氧化机制：直接清除、源头调控与免疫协同

如图1所示，PDA的抗氧化能力源于儿茶酚/醌的动态氧化还原网络。它通过氢原子转移与电子转移协同直接清除ROS，并依靠半醌中间体的电子离域实现持续循环，而非单次消耗。同时，PDA能够保护线粒体电子传递链完整性、螯合金属离子以抑制Fenton反应，从源头减少ROS生成。此外，PDA通过清除ROS间接调控TLR-4/NF-κB通路，抑制M1型巨噬细胞极化、促进M2型修复表型，并利用表面粘附性物理吸附炎症因子，实现免疫协同。2.png

图1. PDA的抗氧化机制。

II PDA抗氧化性能的调控策略

PDA的本征抗氧化效率常因活性位点埋没或环境稳定性不足而受限，但可通过多种策略加以提升。如图2所示，通过结构疏松化(如精氨酸掺杂或与醛缩聚)、粒径减小、介孔化等策略，可暴露更多活性位点，显著提升PDA的自由基清除效率。还原态PDA(富儿茶酚)比氧化态(富醌)具有更强抗氧化活性。组分调控(金属离子掺杂或硒半胱氨酸共聚)可赋予或增强SOD、CAT、GPx等多重酶模拟活性，实现级联催化。表面电荷也至关重要，酸性环境下质子化的PDA表面通过静电吸引富集带负电的ROS，增强SOD样活性。此外，通过阳离子修饰还可结合cfDNA间接抑制炎症。3.png

图2. PDA抗氧化性能的调控。

III PDA基纳米平台的分类与结构优势

如图3和图4所示，通过合理的结构设计与表面功能化，PDA基纳米平台已发展出多种多样的体系，主要包括实心、介孔、中空、掺杂和包覆五大类，各自赋予不同的治疗优势。实心PDA制备简便且稳定性高，适合长期抗氧化的慢性炎症治疗。介孔PDA具有极高的比表面积和有序孔道，最大化暴露活性位点，同时具备高效载药能力，是实现协同治疗的主力平台。中空PDA拥有巨大的内部空腔，载药容量远超其他结构，适用于严重炎症或联合治疗场景。掺杂型PDA通过引入金属离子如铜或锰，或非金属元素如硒，可显著放大酶模拟活性并赋予磁共振成像功能。包覆型PDA利用其强粘附性在各类纳米材料表面形成壳层，改善生物相容性并赋予pH、近红外或ROS响应释放能力。五类结构功能互补，为不同病理特征的氧化应激疾病提供了丰富的选择。4.png

图3. 实心、介孔和中空型PDA基纳米平台在氧化应激疾病中的应用。5.png

图4. 掺杂和包覆型PDA基纳米平台在氧化应激疾病中的应用。

IV PDA基纳米平台打破ROS-炎症自激式正反馈循环

如图5所示，PDA平台通过多种策略切断这一恶性循环。调控巨噬细胞极化方面，清除ROS并下调HIF-1α通路抑制M1型极化，同时激活RhoA与ROCK通路诱导M2型修复表型。抑制信号通路方面，通过清除ROS间接阻断STING和NF-κB活化，减少促炎因子释放。捕获cfDNA方面，阳离子化PDA静电结合cfDNA，阻断TLR9介导的炎症放大。调节肠道菌群方面，超小PDA纳米点口服后同时清除ROS并恢复菌群稳态，PDA包覆的益生菌或β-葡聚糖可借助黏附性在炎症结肠长效滞留。6.png

图5. PDA基纳米平台通过打破ROS-炎症正反馈循环治疗氧化应激疾病。

V PDA基纳米平台通过跨越生物屏障实现靶向递送

如图6所示，针对血脑屏障(BBB)等生理障碍，PDA平台发展出三种仿生策略。肽修饰策略利用PDA表面官能团偶联靶向肽，通过识别BBB内皮细胞高表达的受体实现跨细胞转运。细胞膜仿生伪装策略包覆巨噬细胞膜或微胶质细胞膜，使纳米颗粒继承源细胞的炎症归巢特性。外泌体杂合平台策略融合不同来源的外泌体膜，利用外泌体的天然跨细胞能力高效穿越BBB等屏障，同时发挥PDA的光热或抗氧化功能。7.png

图6. 表面修饰的PDA基纳米平台实现生物屏障跨越。

VI PDA基纳米平台重塑再生微环境

如图7所示，PDA平台通过两种互补策略促进组织再生。促血管生成方面，负载去铁胺等药物的介孔PDA在酸性或近红外刺激下响应性释放，稳定HIF-1α并上调VEGF。同时PDA的光热效应协同增强局部微循环和血管新生。结构支架保护方面，将PDA纳米颗粒整合入水凝胶支架并与干细胞共移植，PDA可大幅降低局部ROS水平，保护移植细胞。进一步负载药物可在退变微环境中响应性释放，抑制铁死亡并促进干细胞分化。8.png

图7. PDA基纳米平台通过重塑微环境治疗氧化应激疾病。

VII PDA基纳米平台调控程序性细胞死亡通路

如图8所示，PDA平台通过多种机制调控铁死亡、焦亡与凋亡。在铁死亡抑制方面，PDA的儿茶酚基团可螯合亚铁离子，抑制Fenton反应，同时保护谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)免受泛素化降解，并可协同上调Nrf2通路增强内源性抗氧化防御。在焦亡抑制方面，PDA通过清除ROS阻断NLRP3炎性小体激活，减少IL-1β等促炎因子的释放。在凋亡抑制方面，PDA通过保护线粒体膜电位、防止细胞色素c释放，以及阻断内质网应激介导的凋亡通路如PERK和IRE1-α，有效减少神经元和心肌细胞等不可再生细胞的死亡。这些策略使PDA能够从多维度干预细胞死亡级联反应。9.png

图8. PDA基纳米平台通过调控细胞死亡通路治疗氧化应激疾病。

VIII PDA基纳米平台的材料本征治疗工程

如图9所示，PDA自身理化性质即可实现治疗功能，无需复杂修饰。在尺寸依赖的被动累积方面，通过调控粒径可实现器官特异性富集。在黏膜粘附性滞留方面，PDA的儿茶酚与胺基可显著延长眼表、胃肠道及关节腔内的药物滞留时间，甚至可直接粘附于湿润的脑组织表面，确保植入材料的稳定固定。在刺激响应释放方面，PDA可在酸性微环境中质子化导致结构疏松，在近红外照射下通过光热效应触发药物释放，在过量ROS条件下氧化降解实现按需给药。在环境缓冲方面，PDA凭借类黑色素的广谱光吸收能力可屏蔽紫外线，并通过儿茶酚醌氧化还原对持续清除环境污染物诱导的ROS。这些本征特性使PDA成为一种无需额外药物即可主动干预病理微环境的智能材料。10.png

图9. PDA本征治疗策略用于氧化应激疾病。

IX 总结

聚多巴胺作为一种仿生材料，已从海洋贻贝的粘附蛋白发展为氧化应激疾病治疗的有力工具。本综述系统梳理了PDA基纳米平台的三层逻辑：分子层面的动态氧化还原网络赋予其持续清除ROS的能力，结构层面的多样化设计(实心、介孔、中空、掺杂、包覆)使其性能可调，应用层面则以病理挑战为纲，构建了切断炎症循环、跨越生理屏障、重塑再生环境、调控细胞死亡及利用材料本征功能的五大战略。同时本文首次将临床转化考量纳入系统讨论，明确了药代动力学、长期安全性与规模化制备等关键瓶颈。未来，单原子工程、多组学技术与人工智能辅助设计将推动PDA向智能平台发展，为氧化应激相关疾病患者带来真正可及的解决方案。

作者简介

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赵勤富

本文通讯作者

沈阳药科大学 教授

▍主要研究领域

(1) 纳米靶向诊疗制剂的构建及其作用机制研究；(2) 新型生物材料在慢性炎症疾病中的应用研究；(3) 药物新制剂的应用基础研究。

▍主要研究成果

辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才、沈阳市领军人才，连续6年入选全球前2%顶尖科学家榜单。以第一或通讯作者在Nano-Micro Lett., Prog. Mater. Sci., Adv. Funct. Mater.和ACS Nano等期刊发表SCI论文100余篇，累计IF约1000。H指数为46，有9篇文章入选ESI高被引论文，2篇文章入选热点论文。申请中国发明专利30余项，已授权10余项。获得辽宁省自然科学奖二等奖(第二完成人)，获辽宁省自然科学奖三等奖(第一完成人)。连续6年入选美国斯坦福和爱思唯尔数据库联合发布的全球前2%顶尖科学家榜单(2020-2025)。获辽宁省自然科学学术成果二等奖1项、三等奖2项。参编药剂学前沿丛书《药用辅料》、化学工业出版社的《药剂学》第二版和中国医药科技出版社的《工业药剂学》第五版教材。

▍Email：qinfuzhao@syphu.edu.cn

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万龙

本文通讯作者

中国医科大学附属第一医院 副教授/副主任药师

▍主要研究领域

(1) 放疗增敏纳米粒子构建研究；(2) 肿瘤靶向纳米粒构建研究；(3) 高灵敏光电化学传感器构建研究。

▍主要研究成果

沈阳药科大学理科基础药学基地班学士，药剂学博士，英国爱丁堡大学访问学者。以第一或通讯作者在Nano-Micro Lett., Chem. Eng. J., Carbon和Materi. Today Bio等期刊发表SCI论文17篇，累计影响因子138。获辽宁省自然科学学术成果二等奖1项、沈阳市自然科学学术成果二等奖1项。授权中国发明专利1项。

▍Email：longwan@cmu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

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