減輕炎癥反應的超小Cu5.4O納米酶

近日,陸軍軍醫大學西南醫院全軍燒傷研究所羅高興所長/鄧君教授團隊,聯合美國國立衛生研究院陳小元教授和浙江大學高分子系毛崢偉教授,在國際知名雜志Nature子刊《自然·通訊》(Nature Communications,IF=11.878)發表研究論文。該團隊研制出一種簡單、綠色、可大規模制備的超小Cu5.4O納米酶方法,該納米酶具有多種酶模擬性質、廣譜且高效的活性氧清除能力,可廣泛用於治療活性氧相關炎癥疾病。

炎癥反應氧化應激在疾病中的廣泛效應及重要性

炎癥反應是機體對於刺激的一種防禦反應,也是臨床常見的一個病理過程。急性炎癥以滲出性病變為主,一般伴有發熱、白細胞增多等全身反應,而慢性炎癥則以增殖性變化為主。在此次新型冠狀病毒疫情中,“炎癥風暴”現象得到瞭廣泛認知。“炎癥風暴”是人的免疫系統針對外界病毒和感染以及一些藥物等過度反應的現象。當炎癥較嚴重時,心、肝、腎等器官可發生不同程度的變性、壞死和器官功能障礙。新冠肺炎感染者出現“炎癥風暴”是從輕癥向重癥和危重癥轉換的一個重要節點,同時也是重癥和危重癥患者死亡的一個原因。除此之外,腫瘤也被認為與炎癥反應有著密不可分的關系。越來越多的研究表明腫瘤的生長與免疫應答、血管新生和轉移、炎癥浸潤等息息相關。持續性非可控炎性微環境也會誘導基因突變從而導致腫瘤發生。同時,目前普遍認為與衰老有關的慢性病也與炎癥反應有關,這種炎性反應不同於臨床急性感染性炎癥,主要是由內源性信號驅動的慢性非感染性無菌性炎癥,被稱為炎性衰老。然而,目前對於非感染性炎癥反應的治療並不完善,臨床治療集中在使用抗炎藥物(甾體類/非甾體類抗炎藥)對癥治療減輕炎癥反應癥狀,缺乏有效的對因治療手段。發明廣譜、高效且安全的消除炎癥反應的藥物對臨床治療以及健康壽命具有十分重要的意義。

已有研究表明,氧化應激與許多急性和慢性炎癥疾病有關。活性氧(reactive oxygen species , ROS)是體內一類氧的單電子還原產物,包括超氧陰離子(O2-)、過氧化氫(H2O2)、羥基自由基(OH·)等。ROS作為正常代謝的副產物對機體的影響非常廣泛,會導致諸如DNA損傷、蛋白質損傷等在內的多種內源性損傷。ROS的過量積聚導致細胞及組織損傷,從而引發炎癥反應。同時,炎癥反應也會產生大量ROS,進一步加重局部組織損傷,甚至導致慢性炎癥。

清除炎癥部位過量的ROS、降低氧化應激,有望治療炎癥。一項有前途的策略是開發具有類酶催化活性的納米材料(即納米酶),以維持生物系統中的自然氧化還原平衡。納米酶可避免其它常規抗氧化劑分子或酶各自或共同的缺點,例如穩定性差、成本高、隻清除單一類型的ROS和不可再生的ROS清除能力。因此,開發具有廣譜、高效ROS清除能力,體內穩定且生物相容性好的納米酶治療炎癥是當今的研究熱點。

超小Cu5.4O納米酶的設計與制備

該團隊發現人類必需的微量元素銅,在許多酶中起重要作用。受此啟發,他們將研究聚焦於制備銅基納米酶用於清除ROS。銅納米粒子在超小尺寸范圍內對電子有強量子限制,所以能夠高效清除H2O2和O2,但是它不能同時消除OH·。而氧化亞銅(Cu2O)納米顆粒可以促進電子轉移反應,使H2O2或OH·失活,能部分模擬過氧化物酶。因此,該團隊猜測可以通過將Cu2O和Cu納米晶體結合,同時實現更廣譜的酶催化性能和抗氧化活性。此外,由於Cu2O和Cu之間有效的電子-空穴分離,可大大提高Cu NPs上Cu2O塗層的穩定性,這也有利於提高總體ROS清除能力。且希望做成超小尺寸,提高其類酶催化活性,且可以快速通過腎進行代謝。

陸軍軍醫大學西南醫院羅高興/鄧君、美國NIH陳小元,浙大毛崢偉合作:減輕炎癥反應的超小Cu5.4O納米酶

圖1 Cu5.4OUSNPs制備示意圖

(A)實驗中通過調整Cu2+與L-抗壞血酸(AA)的比例、反應溫度和時間,一步簡單、綠色環保合成瞭均勻分散的Cu5.4OUSNPs。(B)Cu5.4O USNPs的透射電鏡圖像,插圖為粒度分佈統計圖。(C)Cu5.4O USNPs體內清除活性氧原理模擬圖。

Cu5.4O超小納米粒子具備多種模擬酶性質清除ROS

Cu5.4O超小納米酶如何準確高效的消除ROS?首先科研人員排除瞭Cu5.4O 納米粒子表面塗層L-抗壞血酸的作用。通過體內外酶活性實驗發現,該納米粒子具有多種類酶如GPx、CAT和SOD性質,可廣譜清除過量的ROS。相比於以前報道的納米抗氧化劑,Cu5.4O所需的工作劑量低2-3個數量級,說明其抗氧化功效更高。

進一步評估Cu5.4O USNPs的體內安全性。Cu5.4O USNPs治療後健康小鼠的血液生化指標、炎癥細胞因子水平和主要器官組織病理學指標均未發生顯著改變。進一步表明,合成的Cu5.4O-USNPs具有可忽略的短期和長期體內毒性。

Cu5.4O超小納米酶對慢性創面修復及其臟器保護效果評價

我們選用對乙酰氨基酚(APAP)誘導的急性肝損傷(AILI)、糖尿病全層皮膚缺損、急性腎損傷作為ROS相關疾病的典型模型。均可以發現Cu5.4O超小納米酶在極低濃度下,對上述三種疾病均具有很好的效果,證明瞭我們材料對於炎癥治療的廣泛性。

陸軍軍醫大學西南醫院羅高興/鄧君、美國NIH陳小元,浙大毛崢偉合作:減輕炎癥反應的超小Cu5.4O納米酶
圖3.Cu5.4OUSNPs具有廣泛的活性氧相關疾病治療作用。(A) Cu5.4O USNPs對急性腎損傷、急性肝損傷和糖尿病創面愈合等廣泛的活性氧相關疾病具有治療作用。(B)各組肝組織H&E染色,藍色虛線表示肝壞死范圍。(C)不同時間點糖尿病傷口創面。拍攝時,使用直徑為6 mm的標準綠色光盤作為參考。(D)術後第15天,選具有代表性的組織學圖像,定量測定再生表皮的長度和肉芽組織厚度。

此外,我們以急性腎損傷為模型代表,利用生物信息學手段預測並通過實驗驗證瞭,“納米機器人”通過清除過量的ROS,降低氧化應激,抑制NF-κB信號,下調促炎因子如TNF-α, IL-1β,IL-6的分泌,減弱瞭對組織的損傷。

陸軍軍醫大學西南醫院羅高興/鄧君、美國NIH陳小元,浙大毛崢偉合作:減輕炎癥反應的超小Cu5.4O納米酶
圖4.RNA-Seq及生物信息學分析結果。(A)差異表達基因的KEGG信號通路富集分析,顯示瞭20條富集最顯著的信號通路。(B)氧化應激相關差異表達基因的蛋白質-蛋白質相互作用網絡。

 

本研究的創新性:Cu5.4O納米酶在極低劑量下對ROS介導的損傷具有保護作用,並顯著改善多種炎癥損傷如急性腎損傷、急性肝損傷和糖尿病創面愈合均具有很好的治療效果。同時,Cu5.4O納米酶的超小尺寸保障瞭它ROS清除能力的高效性,可到達任意器官,且可實現納米材料的快速腎臟清除,避免對正常組織的損害。

該文第一通訊單位為陸軍軍醫大學西南醫院全軍燒傷研究所,第一作者為燒傷研究所劉騰飛博士。

文章信息:

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16544-7

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