ACS Nano | 抗菌纳米酶反向筛选的计算与实验集成方案

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背景介绍

纳米药物因有望克服传统小分子药物面临的高剂量、低靶向性、副作用强以及耐药性等问题而受到广泛关注。纳米材料的类酶催化活性是赋予其生物医学应用功能的一类重要特征。以抗菌应用为例，具有类过氧化物酶（peroxidase, POD）活性的纳米材料（POD纳米酶）能够活化H₂O₂产生吸附态羟基HO*，进而破坏细胞膜和损伤细菌蛋白质、DNA，从而有效杀灭细菌。然而，纳米材料种类众多，如何精确寻找具有预期效能的潜在抗菌纳米酶极为困难，是纳米药物进一步发展面临的巨大挑战。计算机辅助反向设计已成为发展传统小分子药物的重要方法，该方法同样也有望克服纳米药物面临的上述挑战。

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工作介绍

国家纳米科学中心高兴发、南京大学魏辉和湖南大学周一歌课题组通过合作研究，发展了一套结合科学计算与3D打印技术的集成筛选方案，实现了从材料数据库中高效、准确识别潜在的抗菌纳米酶，并通过湿法实验进行了验证（图1）。该方案可移植性强，能够接入人工智能算法，实现高通量筛选潜在生物医用纳米材料，而无需像传统实验试错法那样进行成千上万个实验逐一筛选，对纳米材料医学功能的开发具有非常重要的意义，相关成果以“Integrated Computational and Experimental Framework for Inverse Screening of Candidate Antibacterial Nanomedicine”为题发表于ACS Nano。

图1. 反向筛选方案示意图。

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工作内容

该工作具体包括以下四个方面：

（1）POD纳米酶活性预测模型验证。纳米材料的POD活性是评估其抗菌性能的重要依据之一（图2）。为了实现反向筛选，准确预测纳米材料的类POD酶活性至关重要。前期研究基础表明，纳米表面吸附OH的能力（E_ads，OH）是评估其类POD酶活性的有效模型。如图2所示，尽管该模型是基于铁氧化物提出的，其仍然适用于金属纳米材料，能够有效描述不同金属模拟POD酶活性的相对大小。

图2. POD纳米酶活性预测模型。（a）评估纳米材料抗菌功能的过氧化物酶催化活性的模型反应。（b）基于OH吸附能的纳米材料类过氧化物酶活性理论预测模型。

（2）初步计算筛选。基于上述纳米材料类POD酶活性预测模型，建立了一个材料数据库（Materials Project）接口。以合金纳米材料为例，该接口能够检索数据库中的目标合金结构，进行高通量DFT计算，获得E_ads,OH。如图3所示，计算结果表明Au-Cu合金具有较高的类POD酶活性，有望用作抗菌纳米药物。

图3. 具有类过氧化物酶活性合金的计算筛选。（a）搜索和选择合金示意图。（b） E_ads,OH高通量DFT 计算工作流程图。（c-d）具有类POD酶活性的合金种类与Au-Cu合金表面结构示意图。

除了类POD酶活性，纳米材料的细胞毒性是其应用于抗菌治疗所需考虑的另一关键问题。基于预测纳米材料细胞毒性的定量构效关系（Nano-QSAR）模型，评估了所筛选的合金结构的细胞毒性。结果表明AuCu₃合金具有较低的细胞毒性（图4）。

图4. Nano-QSAR模型预测的合金纳米材料细胞毒性（pEC50）。

（3）二次实验筛选。为了验证AuCu₃合金优良的类POD酶催化活性，利用扫描探针嵌段共聚物光刻技术（SPBCL）进行了二次实验筛选。如图5所示，SPBCL制备的金属和合金纳米颗粒形貌和尺寸高度均一，能准确比较不同纳米材料的相对活性。结果表明AuCu₃合金的确具有相对较高的类POD酶催化活性。至此，计算和实验筛选均指出AuCu₃具有较高的类POD酶活性，表明其潜在的优异抗菌性能。

图5. SPBCL筛选具有类POD活性的纳米材料。（a-d）扫描探针嵌段共聚物光刻技术示意图及合金纳米粒子SEM图与元素分布。（e-f）合金纳米粒子类POD酶相对活性比较。

（4）湿化学合成与抗菌测试。如图6所示，为了验证筛选结果的准确性，采用湿化学方法合成得到了AuCu₃合金，并对其类POD酶活性、细胞毒性和抗菌性能进行了测试。结果表明，AuCu₃合金的确表现出较高的类POD酶活性和较低的细胞毒性，并且能够在H₂O₂存在的条件下促进H₂O₂分解产生HO*从而杀灭细菌。抗菌机理实验指出AuCu₃合金和H₂O₂共同处理的细菌，细胞膜结构被严重破坏，造成蛋白质泄露，证实了AuCu₃合金的类POD酶活性是其优良抗菌活性的决定性因素。

图6. AuCu₃合金湿化学合成与抗菌测试。（a-b）AuCu₃合金的合成与表征。（c-d）AuCu₃合金类POD酶活性与促进产生HO*活性测试。（e-h）AuCu₃合金抗菌性能测试（S. aureus和E. coli）。

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总结与展望

该工作基于预测纳米材料类POD酶催化活性的理论模型和预测纳米材料细胞毒性的Nano-QSAR模型，发展了从Materials Project中反向筛选合金抗菌纳米酶的计算与实验集成方案。该方案能够同时考虑合金纳米材料活化H₂O₂的能力与细胞毒性，从而筛选出具有高效抗菌性能同时对正常细胞毒性较低的潜在抗菌纳米酶。随后，利用扫描探针嵌段共聚物光刻技术（SPBCL）制备出高度均匀的金属和合金纳米颗粒，进行二次实验筛选。计算和实验筛选结果指出AuCu₃合金兼具高催化活性和安全性，是一种潜在的抗菌纳米药物。最后，通过湿化学方法制备了AuCu₃纳米材料，验证了其低毒性和优良的抗菌活性，证明了反向筛选技术的可靠性，有望推动其他纳米药物的研究。随着预测纳米材料类酶催化活性理论模型的发展，目前的框架可以拓展到筛选其他仿酶合金，促进纳米酶的相关医学应用。

往期回顾

撰稿 | 征甲甲

审阅 | 张益宏

编辑 | 张晓婷

点

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