单原子纳米酶研究新进展—给受伤的脑神经扎上神奇“绷带”

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近日，天津大学张晓东教授与神经工程团队合作在单原子纳米酶绷带治疗颅脑创伤方面取得进展。研究团队利用单原子催化原理，制备出具有持久高效的类酶活性和清除自由基能力的纳米酶绷带，并将其应用于颅脑创伤引发的神经损伤的局部治疗，并取得良好效果。

颅脑创伤是最严重的创伤之一，它不仅会造成组织损伤与缺氧，而且会在创伤处产生过量的活性自由基，进而触发脑部一系列的生化反应和神经免疫反应，诱发不可逆的神经组织损伤，严重危及伤者生命安全。然而，目前并没有科学全面的治疗颅脑创伤的方法。长期以来，清除损伤部位的自由基被证实为治疗颅脑损伤的可行性方案，对于挽救伤者生命以及减轻损伤后遗症至关重要。因此，具有清除自由基能力的纳米材料或小分子被广泛应用于治疗颅脑创伤，但绝大多数药物由于尾静脉注射、灌胃等给药方式的局限会引起严重的毒副作用，且由于血脑屏障难跨越大大降低了药物利用率。

无创的外用治疗是一种可以有效规避传统给药方式缺点的手段，但是传统的绷带，由于使用过程中电子转移能力的下降，会逐渐丧失抗氧化活性。而对于颅脑损伤而言，为保证绷带催化活性经常性的更换绷带是不现实的。故这种治疗方式无疑对药物的催化活性与稳定性提出了更高要求。

图1: 纳米酶绷带原理示意图

面对种种挑战，张晓东教授课题组和神经工程团队首次设计制作出可用于颅脑创伤治疗的高效且稳定的单原子纳米酶绷带。课题组利用单原子催化原理设计合成了Pt/CeO₂单原子纳米酶，单原子Pt的分布导致了CeO₂纳米酶的晶格膨胀，形成了新的稳定的活性位点与电子转移路径，导致其催化能力显著增加。在性能方面，Pt/CeO₂单原子纳米酶的类酶活性比纯CeO₂纳米酶高出3-10倍，且其清除自由基能力比纯CeO₂纳米酶高出2-10倍。研究者进一步将Pt/CeO₂单原子纳米酶负载于柔性的碳纤维布上制作成为单原子纳米酶绷带，其催化活性在长达一个月的测试中几乎没有衰减。这种具有高催化效率与强稳定性的单原子纳米酶绷带在颅脑创伤小鼠的治疗中确实表现出良好的疗效，它不仅可以有效地促进伤口愈合，而且在降低神经炎症反应、缓解神经损伤方面卓有成效。

图2: Noninvasive treatment of brain trauma in mouse models using the nanozyme-based bandage. (a) Schematic illustration of noninvasive TBI treatment using the nanozyme-based bandage as a sustained multienzyme catalytic system. (b) Long-term stability of the enzyme-mimetic catalytic activity of the nanozymes. (c) Representative photos of wound healing and (d) residual wound over time with and without treatment of nanozyme-based bandage. (e) Tissue SOD, (f) lipid peroxide, (g) IL-1β, (h) IL-6, and (i) TNF-α levels 12 and 26 days after treatment. (j) Recruitment of astrocyte and microglia was alleviated after treatment. Asterisks indicate significant differences (*P < 0.05, **P < 0.005, ***P < 0.001) as compared with the control group, analyzed by a Student’s t test.

单原子催化作用，由于其最优化的原子利用率在催化方面具有极大优势与潜力。张晓东教授课题组此次有关单原子纳米酶绷带治疗颅脑创伤的研究充分利用了单原子催化作用，为颅脑创伤的治疗提供了一条全新的思路，并进一步推动了单原子催化在医学领域的前进与发展。

相关研究成果以“A Nanozyme-based Bandage with Single Atom Catalysis for Brain Truama”为题于2019年09月26日在线发表在《ACS Nano》上。该项研究工作由天津大学主持完成，天津大学为论文第一单位，北京协和医学院、天津医科大学总医院、中山大学等国内多家大学和科研机构参与其中。

点击“阅读原文”查看论文原文。

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