1 擬解決的問題

生物體內(nèi)存在級聯(lián)催化反應，即在連鎖的酶促反應過程中，前一反應的產(chǎn)物是后一反應的底物，每進行一次修飾反應，就使調(diào)節(jié)信號產(chǎn)生一次放大作用。生物體內(nèi)的級聯(lián)催化反應系統(tǒng)通過將多種酶限制在亞細胞區(qū)室中來確保準確的信號轉導和有效的代謝。受限級聯(lián)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(jīng)濟性，獲得了優(yōu)于傳統(tǒng)多步反應的優(yōu)勢。

受這些系統(tǒng)優(yōu)點的啟發(fā)，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(lián)系統(tǒng)。然而天然酶具有的高成本、低穩(wěn)定性和潛在的免疫原性等缺陷，使基于天然酶的級聯(lián)反應在生物醫(yī)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(fā)了一種能夠清除ROS的集成化級聯(lián)納米酶（Pt@PCN222-Mn）。該級聯(lián)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(nèi)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(lián)納米酶（Pt@PCN222-Mn）（圖1）。該級聯(lián)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(lián)納米酶同時具有限域效應和中空結構，不僅可以實現(xiàn)高效地協(xié)同催化，還有利于提高底物的傳質(zhì)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(lián)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(diào)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(lián)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生速率同納米酶的相關性。數(shù)據(jù)是平均值 ± 標準偏差（n = 3）。

隨后，通過對級聯(lián)納米酶的SOD和CAT類酶活性進行動力學分析發(fā)現(xiàn)，級聯(lián)納米酶的協(xié)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(jù)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(chǎn)生速率。數(shù)據(jù)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(lián)納米酶Pt@PCN222-Mn-5應用到小鼠體內(nèi)炎癥性腸病的治療中（圖4）。通過對體內(nèi)實驗中級聯(lián)納米酶的協(xié)同作用的研究，表明Pt@PCN222-Mn-5的確具有協(xié)同催化清除ROS的能力，而且通過對給藥劑量的優(yōu)化實現(xiàn)了對潰瘍性結腸炎的良好治療效果。此外，本研究又用優(yōu)化出來的給藥濃度成功地實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(lián)納米酶能夠通過消除ROS實現(xiàn)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(fā)表在Science Advances上，南京大學現(xiàn)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(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院的趙曉智教授和南京大學醫(yī)學院附屬口腔醫(yī)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(yōu)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(chuàng)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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