1 擬解決的問題

生物體內存在級聯催化反應，即在連鎖的酶促反應過程中，前一反應的產物是后一反應的底物，每進行一次修飾反應，就使調節信號產生一次放大作用。生物體內的級聯催化反應系統通過將多種酶限制在亞細胞區室中來確保準確的信號轉導和有效的代謝。受限級聯反應通過降低擴散勢壘、提高中間體的局部濃度和改善整個反應的原子經濟性，獲得了優于傳統多步反應的優勢。

受這些系統優點的啟發，人們做出了大量努力將酶在框架結構上進行整合，以模擬這些有效的級聯系統。然而天然酶具有的高成本、低穩定性和潛在的免疫原性等缺陷，使基于天然酶的級聯反應在生物醫學中的應用受到了很大的限制。

為解決以上問題，該研究利用具有類酶催化活性的MOF材料和納米顆粒的結合開發了一種能夠清除ROS的集成化級聯納米酶（Pt@PCN222-Mn）。該級聯納米酶具有兩種相互分離的催化活性位點，它們可以分別模擬類超氧化物歧化酶（SOD）和類過氧化氫酶（CAT）的催化活性。

2 文章內容

該研究通過將具有類SOD活性的錳卟啉結構和類CAT活性的鉑納米粒子(Pt NPs)引入由鋯氧簇和卟啉通過自組裝而形成的金屬有機框架化合物PCN222中，成功合成了一種能夠清除ROS的集成化級聯納米酶（Pt@PCN222-Mn）（圖1）。該級聯納米酶具有兩種相互分離的催化活性位點，它們可以分別模擬SOD和類CAT的催化活性。這種基于MOF結構的級聯納米酶同時具有限域效應和中空結構，不僅可以實現高效地協同催化，還有利于提高底物的傳質效率。

圖1 （A）Pt@PCN222-Mn的合成路線。（B）PCN222-Mn的透射電子顯微鏡圖。（C）PCN222-Mn的掃描電子顯微鏡圖。（D）PCN222-Mn、Pt@PCN222-Mn-1、Pt@PCN222-Mn-3和Pt@PCN222-Mn-5的粉末X射線衍射圖。（E）Pt@PCN222-Mn-1的透射電子顯微鏡圖。（F）Pt@PCN222-Mn-3的透射電子顯微鏡圖。（G）Pt@PCN222-Mn-5的透射電子顯微鏡圖。（H）Pt@PCN222-Mn-5的高分辨透射電子顯微鏡圖。（I）Pt@PCN222-Mn-5的掃描電子顯微鏡圖。（J）PCN222-Mn、Pt@PCN222-Mn-1、Pt@PCN222-Mn-3和Pt@PCN222-Mn-5的紫外可見吸收光譜圖。

通過對類SOD、類CAT的活性測試（圖2），證明了級聯納米酶Pt@PCN222-Mn不僅具有良好的ROS清除能力，而且可以通過改變納米顆粒Pt的含量對其活性進行調控（Pt@PCN222-Mn-1、Pt@PCN222-Mn-3和Pt@PCN222-Mn-5為通過改變Pt NPs的用量合成的三種不同含量Pt NPs的MOF級聯納米酶）。

圖2 （A）黃嘌呤、黃嘌呤氧化酶和NBT在加入不同的納米酶（20 μg/mL）后，產生的吸光度A-A0（550 nm）隨時間變化的動力學曲線。（B）超氧自由基的清除能力與納米酶濃度之間的關系。（C）在50 mM的雙氧水中加入不同納米酶（4 μg/mL）后，產生的溶解氧含量隨時間變化的動力學曲線。（D）不同雙氧水濃度在前60 s的溶解氧產生速率同納米酶的相關性。數據是平均值 ± 標準偏差（n = 3）。

隨后，通過對級聯納米酶的SOD和CAT類酶活性進行動力學分析發現，級聯納米酶的協同作用對其CAT的活性提升更為顯著（圖3）。這種性能的提升可能是由于MOF結構的限域效應阻止了Pt NPs的聚集，并提升了局部催化位點和底物的濃度。此外，動力學分析表明雙氧水的積累可以占據TCPP-Mn上中心金屬的配位位點，進而抑制其對超氧自由基的清除效率。通過在PCN222-Mn中引入Pt可以對雙氧水進行清除，不僅能夠提高材料整體的類CAT催化活性還能確保其類SOD活性不受影響。

圖3 （A）Pt、PCN222-Mn、Pt+PCN222-Mn和Pt@PCN222-Mn-5的超氧自由基抑制效率。（B）過氧化氫在分別加入Pt、PCN222-Mn、Pt+PCN222-Mn和Pt@PCN222-Mn-5后前60 s的溶解氧產生速率。數據是平均值 ± 標準偏差（n = 3）。***P < 0.005, ****P < 0.001, ns = not significant, t-test.

最后，將級聯納米酶Pt@PCN222-Mn-5應用到小鼠體內炎癥性腸病的治療中（圖4）。通過對體內實驗中級聯納米酶的協同作用的研究，表明Pt@PCN222-Mn-5的確具有協同催化清除ROS的能力，而且通過對給藥劑量的優化實現了對潰瘍性結腸炎的良好治療效果。此外，本研究又用優化出來的給藥濃度成功地實現了對克羅恩腸炎的治療。

圖4 （A）潰瘍性腸炎的動物實驗流程圖。（B）每組小鼠每天的體重變化。（C）每組小鼠在治療前和治療后的體重差值。（D）治療結束后各組小鼠的結腸照片。（E）各組小鼠的結腸長度。（F）炎癥因子TNF-α在結腸組織的含量。（G）炎癥因子IL-1β在結腸組織的含量。（H）各組小鼠的結腸病理切片。數據是平均值 ± 標準偏差（n = 5）。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.005, ****P < 0.001, ns = not significant, t-test.

3 總結

綜上所述，該研究工作不僅驗證了MOF級聯納米酶能夠通過消除ROS實現對小鼠腸炎的治療，還提供了一種新的策略來構筑更多功能化的納米酶生物材料。

該研究工作近日發表在Science Advances上，南京大學現代工程與應用科學學院的魏輝教授和Christopher J. Butch教授為文章的通訊作者。南華大學的林英武教授和魏傳晚博士，中科院長春應用化學研究所的杜衍研究員，南京大學醫學院附屬鼓樓醫院的趙曉智教授和南京大學醫學院附屬口腔醫院的苗雷英教授為研究工作提供了重要的幫助和支持。魏輝教授課題組17級的博士生劉雨風和副研究員程遠為論文的共同第一作者。該研究工作得到了國家自然科學基金項目、江蘇省自然科學基金項目、江蘇高校優勢學科建設工程、生命分析化學國家重點實驗室開放基金、配位化學國家重點實驗室開放基金項目、南京大學原創與交叉研究培育基金等的資助。

原文鏈接

Integrated cascade nanozyme catalyzes in vivo ROS scavenging for anti-inflammatory therapy. Science Advances, 2020.

DOI：10.1126/sciadv.abb2695

https://advances.sciencemag.org/content/6/29/eabb2695

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