来源:西安交通大学新闻网 发布时间:2023/3/3 11:29:46
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西安交大科研人员在碳点纳米酶生物医学应用方面取得系列新进展

 

纳米酶是一类蕴含酶学特性的纳米材料,能够在生理或极端条件下催化酶的底物,具有类似于天然酶的酶促反应动力学,并且可以作为酶的替代品用于人类健康。自从2007年首次报道以来,全球已经有55个国家的420个研究单位陆续报道了近1200种不同纳米材料的纳米酶活性,其催化类型涵盖了氧化还原酶、水解酶、裂合酶和异构酶等。纳米酶是多学科交叉融合的典范,2022年被IUPAC评为十大化学新兴技术。经过十几年发展,在从事化学、酶学、材料、生物、医学、理论计算等多领域科学家共同推进下,如今纳米酶已经成为新的研究热点。

碳点(C-dots)作为一类光致发光纳米材料,因其独特的性质,在过去10年受到了极大研究关注。碳点具有粒径小、易制备、成本低等优点,其表面丰富的含氧官能团,如羰基、羧基、羟基等,使碳点具有良好的水溶性和易于功能化的特点。因此,碳点在传感、生物成像、发光二极管、疾病治疗等方面显示出巨大应用潜力。此外,碳点由于其小尺寸效应和丰富的活性位点而表现出催化活性,但以往所报道的碳点纳米酶主要集中于其过氧化物酶活性,关于设计具有高抗氧化活性的碳点纳米酶的报道较为罕见。研究团队设计了具有超高类SOD活性的碳点纳米酶(活性>10000 U/mg),并利用表面结构定向调控策略和理论计算揭示了其催化机制。研究结果表明碳点SOD纳米酶的羟基和羧基能够通过氢键与超氧阴离子结合,与π-体系共轭的羰基则夺取超氧阴离子的一个电子,产生氧气和还原态碳点。还原态碳点被另一个超氧阴离子氧化回初始状态并产生过氧化氢。体外实验结果显示碳点纳米酶可选择性靶向氧化损伤的细胞,并定位到线粒体,这对从源头上清除胞内ROS非常有利。结合其高催化活性,成功地将碳点SOD纳米酶应用于抵御体内缺血性中风引起的氧化应激,并取得良好的治疗效果。此外,碳点SOD纳米酶具有稳定性高、制备容易、成本低廉、易于规模化生产等优点,克服了天然酶的局限性,在工业、医学、生物等领域展现出巨大的应用潜力。

碳点SOD纳米酶的制备、催化机制及其在缺血性中风治疗中的应用

上述研究成果以《解析碳点纳米酶超氧化物歧化酶活性的催化机制》为题发表在《自然通讯》(Nature Communications)上,西安交通大学基础医学院高文慧、科院生物物理研究所贺久洋、陈雷为共同第一作者,中科院生物物理研究所阎锡蕴院士、范克龙研究员,南开大学庞代文教授及西安交通大学基础医学院刘翠副教授和张明真研究员为论文共同通讯作者,西安交通大学基础医学院为论文第一通讯单位。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-35828-2

生物体内存在级联催化反应,即在连锁的酶促反应过程中,前一反应的产物是后一反应的底物,每进行一次催化反应,就使调节信号产生一次放大作用。生物体内的级联催化反应系统通过将多种酶限制在亚细胞区室中来确保准确的信号转导和有效的代谢。通过降低扩散势垒、提高中间体的局部浓度和改善整个反应的原子经济性,获得了优于传统多步反应的优势。课题组将高活性碳点SOD纳米酶(CNDs)与铂纳米颗粒(Pt)结合,设计开发了一种具有高效级联(SOD-CAT)纳米酶活性的Pt@CNDs纳米酶,不仅解决碳点SOD纳米酶催化产物(H2O2)的氧化毒性问题,最终将自由基转化为生物安全的水和氧气,发挥级联放大催化活性,而且在活体抗炎方面具有优异的效果。

Pt@CNDs级联纳米酶的合成及清除活性氧(ROS)

上述研究成果以《SOD/CAT级联催化活性的Pt@CNDs纳米酶用于抗氧化治疗研究》为题发表在《今日纳米》(Nano Today)上,西安交通大学基础医学院张玉洁、高文慧为共同第一作者,西安交通大学第一附属医院肝胆外科涂康生研究员及西安交通大学基础医学院张明真研究员和刘翠副教授为论文共同通讯作者。西安交通大学附属医院肝胆外科为论文第一通讯单位。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.nantod.2023.101768

有效结合纳米酶的理化特性和酶的活性将为疾病治疗提供新思路。然而如何设计兼具良好理化性质和酶活性的纳米酶仍是纳米酶学中的一大难题。课题组开发了一种新型的荧光碳点(C-dot)超氧化物歧化酶(SOD)纳米酶,其荧光发射波长为683 nm,绝对量子产率高达14%,并显示出超过4000 U/mg的SOD酶活性,这为纳米酶本身在体内的生物分布成像和治疗炎症疾病提供了巨大潜力。通过表面修饰,研究人员揭示了碳点表面的羧基、羟基和氨基都与SOD的酶活性密切相关。碳点表面的羧基、羟基和氨基均可通过氢键捕获超氧阴离子。而碳点表面缺电子结构能够夺取超氧阴离子的一个电子,生成了氧气和还原态碳点。由于碳点上大π-体系(C=C/C=N)与其获得的电子形成p-π共轭,从而稳定了中间产物(还原态碳点)。随后,另一个超氧化物从还原态碳点中夺取一个电子,生成H2O2,而碳点的结构得以恢复。此外,碳点纳米酶能有效地进入细胞,在线粒体中积累,并通过清除ROS和降低促炎症因子的水平来保护活细胞免受氧化损伤。体内实验结果表明碳点SOD纳米酶具有炎症靶向性,其对小鼠急性肺损伤的治疗效果与临床药物地塞米松相当。这些研究成果将促进具有高催化活性和良好荧光性能的超小纳米酶的开发,并推动其在炎症性疾病治疗中的应用。

荧光/SOD酶活性双功能碳点的催化机制研究及其在急性肺损伤治疗中的应用

上述研究成果以《红色荧光发射的碳点超氧化物歧化酶纳米酶用于改善急性肺损伤和生物成像》为题发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上,西安交通大学基础医学院副教授刘翠和华中科技大学协和深圳医院胸外科范文斌副主任医师为论文共同第一作者,深圳大学朱敏荣副教授、中科院生物物理研究所范克龙研究员和深圳市微纳生物传感器重点实验室罗擎颖副研究员为论文共同通讯作者。西安交通大学基础医学院为论文第一通讯单位。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202213856

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)是一种慢性非特异性的肠道炎症性疾病,主要包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)和克罗恩病(Crohn’s disease, CD)。UC局限于结肠,浅表黏膜炎症向近端连续延伸,可导致溃疡、大出血、中毒性巨结肠和暴发性结肠炎;而CD可累及消化道的任何部分,病变通常不连续,以透壁性炎症为特征,可导致纤维化狭窄、瘘管和脓肿等并发症。临床上,IBD的治疗手段主要包括非靶向疗法(如氨基水杨酸盐、糖皮质激素和免疫调节剂)和靶向生物疗法(如抗TNF制剂)。遗憾的是,这些药物仅为对症治疗而不能治愈疾病。因此,发展IBD诊疗新技术、新方法,将为其综合防治提供有效依据,具有重大社会需求。

课题组与第四军医大学西京医院梁洁教授团队合作,通过热溶剂法,利用谷胱甘肽和生物素合成了一种多功能碳点纳米材料。该碳点具有良好的SOD酶活性,羟基自由基清除能力及较好的荧光性能。在IBD模型中,该纳米酶不但可以改善肠道炎症,且可以用于肠道在体荧光成像。因此,该研究拓展了抗氧化纳米酶在IBD治疗中的应用。

兼具荧光成像/SOD酶活性的碳点纳米酶合成及其在IBD治疗中的应用

上述研究成果以《具有类超氧化物歧化酶活性和红色荧光的多功能碳点用于炎症性肠病的治疗》为题发表在《碳》(Carbon)上,西安交通大学基础医学院马雅娜为论文第一作者,第四军医大学西京医院梁洁教授,西安交通大学基础医学院刘翠副教授及张明真研究员为论文共同通讯作者。西安交通大学基础医学院为论文第一通讯单位。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.01.006

 
 
 
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