图3、ZIF-67 纳米颗粒中配位活性位点的结构及催化机制。（a）ZIF-8、Co-ZIF-8 和 ZIF-67 纳米颗粒的结构演变及其对应的配位活性位点，展示了从以锌为主（ZIF-8）到以钴为主（ZIF-67）的等径结构的转变以及可变价态的过渡金属依赖的抗氧化活性。此处为清晰起见，省略了连接到周边金属原子的三个μ-Meim 配体的化学式。（b）由 ZIF-67 纳米颗粒（1）、（2）以及单个 Co[Co(μ-Meim)4]4 活性位点（3）、（4）所引发的抗氧化反应示意图，用于描述 H2O2 的歧化过程。（c）基于 DFT 计算提出的 ZIF-67 中 Co[Co(μ-Meim)4]4 位点在 H2O2 分歧化过程中的激活催化循环。关键中间体（Int1、Int2、Int3）及其转变被描绘出来，展示了 Co-N4 活性位点在促进氧化还原反应中的作用。


（d）Co[Co(μ-Meim)4]4 位点的内球式两电子转移机制中 Int1 和 Int3 的不同电荷密度的可视化。（e）基于 DFT 计算的反应路径和配位图，展示了锌[Zn(μ-Meim)4]4、钴[Zn(μ-Meim)4]4 和钴[Co(μ-Meim)4]4 位点上氧化还原反应的自由能变化。图中插图中指出了反应势能差（RDS）及其相关的能垒，突出了单个钴[Co(μ-Meim)4]4 位点的催化活性增强。

图4、急性心脏缺血小鼠模型中的药代动力学、生物分布以及短期体内治疗效果。（a）实验时间线示意图：小鼠通过腹腔注射 ISO 溶液连续 2 天以诱导急性心脏缺血，随后进行 ZIF-67 纳米颗粒的静脉注射，并在不同时间点通过超声心动图、心电图、心肌酶谱和组织学进行后续分析。（b）静脉给药后 ZIF-67 纳米颗粒的药代动力学随时间的变化情况。（c）注射后 0、3、6 和 12 小时注射 ISO 的小鼠的代表性荧光图像。（d）注射后不同时间点的最大辐射效率的定量分析（n = 3 个生物学独立样本）。（e）注射后不同时间点各器官中钴元素的生物分布（n = 5 个生物学独立样本）。


（f-l）代表性 M 型超声心动图（f）以及心脏功能的定量分析，包括射血分数（g）、缩短分数（h）、左心室舒张末期容积（i）、左心室收缩末期容积（j）、左心室肌质量指数（k）和左心室收缩末期直径（l）（n = 5 个生物学独立样本）。（m）对心脏切片进行 H&E 染色，以评估不同治疗组的心肌损伤情况。比例尺：顶部 2.5 毫米，底部 50 微米。（n）对心脏切片进行 Masson 三色染色，以评估不同治疗组的间质纤维化情况。比例尺：顶部 2.5 毫米，底部 50 微米。（o）图 6n 中间质纤维化的定量分析（n = 5 个生物学独立样本）。（p）对心脏切片进行 DAPI/TUNEL/CTNI 染色的 CLSM 图像，显示凋亡的心肌细胞。比例尺：50 微米。（q）图 6p 中 TUNEL 阳性心肌细胞的定量分析（n = 5 个生物学独立样本）。（r）DAPI/CD31 染色的代表性 CLSM 图像。箭头指示内皮屏障的破坏。比例尺：100 微米。（s）纤维化标志物（Gal-3、sST2）、心肌酶谱（CK、CK-MB、LDH 和 LDH1）以及抗氧化指标（SOD、GPx 和 MDA）的热图（n = 5 个生物学独立样本）


结论与展望


本研究通过系统的材料学表征、理论计算与多层次生物学评价，证实了ZIF-67纳米颗粒作为一种高效的抗氧化纳米催化剂，能够通过清除活性氧（ROS）协同实现心肌保护与抗纤维化，从而显著改善缺血后心脏损伤修复。


实验结果表明，成功合成的ZIF-67 NPs呈均匀的十二面体形貌（平均粒径约191 nm），具备典型的ZIF-67晶体结构与Co-N₄配位环境，其Co位点主要以Co²⁺形式存在。催化性能测试显示，ZIF-67 NPs表现出卓越的类过氧化氢酶活性，能选择性催化H₂O₂歧化为H₂O和O₂，且不产生羟基自由基（·OH）等有害副产物；理论计算进一步揭示其催化机制依赖于Co²⁺/Co⁴⁺=O的可逆氧化还原循环，且速率决定步能垒低至0.09 eV，这为其高效催化提供了原子层面的解释。


细胞实验证实，ZIF-67 NPs能被心肌细胞和心脏成纤维细胞有效摄取，并在所用浓度范围内表现出良好的生物相容性。在模拟缺血再灌注损伤的H9C2心肌细胞中，ZIF-67 NPs能显著降低细胞内ROS水平，恢复线粒体膜电位和ATP生成，抑制细胞凋亡和铁死亡，同时改善细胞骨架完整性并下调损伤标志物表达。


在原代心脏成纤维细胞中，ZIF-67 NPs通过阻断ROS介导的促纤维化信号通路，有效抑制了TGF-β1诱导的细胞增殖、活化及向肌成纤维母细胞的转化（FMT），并在转录水平下调了胶原等细胞外基质成分的基因表达。在异丙肾上腺素诱导的急性心肌缺血小鼠模型中，静脉注射的ZIF-67 NPs能有效富集于缺血心肌区域并长效滞留。短期治疗显著改善了心功能参数（如射血分数和缩短分数），减轻了心肌细胞凋亡和组织结构破坏，并减少了早期纤维化沉积；长期（28天）随访则进一步证明，ZIF-67 NPs能剂量依赖性地抑制血管周围及间质纤维化的进展，甚至部分逆转已形成的纤维化，同时促进修复性血管新生，且在整个实验周期内未观察到明显的系统性毒副作用。


综上所述，本研究提出的“纳米催化抗氧化”策略，通过精准调控ROS稳态，实现了对心肌损伤和纤维化两个关键病理过程的协同干预，为缺血后心脏修复提供了一种创新且具有转化潜力的治疗范式。丹麦Unisense溶解氧微电极被用作直接验证ZIF-67纳米颗粒类过氧化氢酶活性的关键定量工具，解决了"H₂O₂是否被真正催化歧化为H₂O+O₂而非走其他有害路径"这一核心机制问题。Unisense微电极在此论文中承担了"将化学活性从间接显色推断升级为原位物理定量"的角色——它是把ZIF-67的催化抗氧化主张从"说得通"推进到"测得准"的决定性表征手段之一。