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南京大学魏辉课题组 Chem Sci:像 SOD 一样抗氧化的 Mn₃O₄ 纳米颗粒,成功治愈小鼠体内的炎症

2018-02-28 👉 RSCPublishing RSCPublishing


近日,英国皇家化学会旗舰期刊 Chemical Science 发表了南京大学魏辉教授课题组的前沿论文(Edge Article),报道了用 Mn₃O₄ 纳米颗粒(Mn₃O₄ NPs)作为纳米酶模仿 SOD(超氧化物歧化酶)和过氧化氢酶清除体内 ROS(活性氧类物质)的工作。Mn₃O₄ 纳米酶不仅比天然酶更为稳定,而且抗氧化催化活性优于之前报道的 CeO₂ 纳米酶,更是在体外和体内都表现出优异的 ROS 清除功能。本文作者还利用 Mn₃O₄ 纳米酶成功缓解了由 ROS 引起的小鼠耳部炎症。

  • ROS scavenging Mn₃O₄ nanozymes for in vivo anti-inflammation

    Jia Yao, Yuan Cheng, Min Zhou, Sheng Zhao, Shichao Lin, Xiaoyu Wang, Jiangjiexing Wu, Sirong Li and Hui Wei*

    Chem. Sci., 2018, Advance Article

    DOI: 10.1039/C7SC05476A

    非常感谢魏辉教授对本报道的细致审阅与修改。


研究背景

炎症已被证明会导致各种疾病,如类风湿性关节炎、心血管疾病甚至是癌症。活性氧类物质(reactive oxygen species,ROS),包括超氧自由基(˙O₂⁻)、过氧化氢(H₂O₂)和羟基自由基(˙OH)等,与炎症的过程高度相关,它们的失调对炎症相关疾病的发生和发展起着非常重要的作用;ROS 导致的氧化应激会对生物分子(如 DNA、蛋白质和脂类)的损害。

▲ 会对生物体造成氧化伤害的部分 ROS

为了防止这种伤害,动植物演化出了多种天然的抗氧化剂,以保持体内的 ROS 平衡。其中,超氧化物歧化酶Superoxide DismutaseSOD)可以催化 ˙⁻ 的歧化反应生成 HO₂ ,而过氧化氢酶CatalaseCAT)则可催化过氧化氢生成氧气和水。

▲ SOD 和 CAT 转化活性氧类物质

生物体内的 SOD 的催化活性中心通常为具有多种化合价的金属离子,常见的SOD 分别以铜和锌(Cu/Zn SOD)、锰(Mn SOD)、铁(Fe SOD)或镍作为辅因子。在其催化反应过程中,SOD 酶中的金属离子 M 的氧化态在 nn+1 之间循环,以起到电子转移和传递的作用

 结合不同金属离子的各类 SOD 酶的结构
Credit: PDB-101


▲ SOD 酶的催化机理

虽然天然酶可通过清除 ROS 来有效地发挥抗炎作用,但它们对环境条件(如温度和 pH 值等)比较敏感并且难以大规模生产。因此,人们致力于开发具有 ROS 清除功能的人工模拟酶,以克服天然酶的固有缺点。

过去几十年来,一些无机纳米材料被发现具有与天然酶类似的催化活性和机制,可以催化天然酶的底物反应,因此被称为纳米酶Nanozymes)。与天然酶相比,纳米酶具有许多优点,例如优异的热稳定性和生物稳定性、多功能性、易于制备以及活性可调等。

▲ 天然酶、人工酶、纳米酶发展路线图
Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 6060-6093
(南京大学魏辉、长春应用化学研究所汪尔康)

在已报道的各类纳米酶中,相当一部分具有清除 ROS 的活性,而其中一个比较经典的例子就是二氧化铈纳米颗粒(ceria nanoparticlesCeO NPs)。CeO NPs 中的铈具有 Ce³⁺ 和 Ce⁴⁺ 的混合价态,具有高效的 SOD 类酶活性

▲ 中科院高能物理所何潇、张智勇等最近报道了
一种电子转移策略,让粒径 5 nm 以上的 CeO₂ NPs
也能实现超氧自由基的清除

Angew. Chem., Int. Ed., 2015, 54, 1832-1835

另一方面,药代动力学研究显示 Mn SOD 在慢性疾病的治疗方面优于 Cu/Zn SOD 和 Fe SOD,因此人们长期以来都致力于合成基于 Mn 的 SOD 模拟酶。然而,具有抗氧化活性的 Mn 基纳米酶的生物医学应用较少,最近才报道了一种氧化锰纳米颗粒材料(Angew. Chem., Int. Ed., 2017, 56, 14267–14271)具有抗氧化活性并用于在体外条件下保护细胞免受氧化伤害。不过,能在体内条件下实现消炎作用的 Mn 基纳米酶还未见报道。


本篇论文

本文报道了用 MnO₄ 纳米颗粒MnO₄ NPs)作为 SOD 模拟酶和 catalase 模拟酶清除体内 ROS(活性氧物质)的工作。MnO 纳米酶不仅比天然酶更为稳定,而且消除 ROS 的类催化活性优于之前报道的 CeO₂ 纳米酶,更是在体外和体内都表现出优异的 ROS 清除功能。本文作者还利用 MnO 纳米酶成功缓解了由 ROS 引起的小鼠耳部炎症。

Mn₃O₄ NPs 的合成

本文所用的 MnO₄ NPs 是通过水热法合成的,并通过 TEM XRD 表征加以确认。结果显示,所得的纳米颗粒具有多面体外形,平均粒径 7-8 nmd₍₁₀₁₎ = 0.492 nm。根据 X 射线光电子能谱分析(XPS)的结论,纳米颗粒表面上 Mn²⁺ 和  Mn³⁺ 的比例约为 1:2

▲ MnO NPs TEM 与粉末 XRD 表征

Mn₃O₄ NPs 模拟 SOD 酶功能

鉴于超氧自由基(˙O₂⁻)是最具破坏力的 ROS,本文作者首先利用 ˙O₂⁻ 的特异性探针分子二氢乙锭(hydroethidineHE)研究了 MnO NPs 模拟 SOD 酶催化清除 ˙O₂⁻ 的性能。二氢乙锭会被 ˙O₂⁻  氧化成啶鎓(ethidiumE⁺),其在 520 nm 波长的激发下会于 610 nm 波长附近发出强烈的荧光。

由下图 A 中蓝色曲线与红色曲线的对比可知,Mn₃O₄ NPs 可有效地清除˙O₂⁻。由下图 B 所知,Mn₃O₄ NPs 清除 ˙O₂⁻ 的催化性能与剂量相关:当浓度达到 20 μg mL⁻¹ 时,˙O₂⁻ 的清除效率可达 75%,相当于 1 U mL⁻¹ 的天然 SOD。另外,Mn₃O₄ NPs 表现出比 CeO₂ 纳米酶更好的 ˙O₂⁻ 清除性能,在相同条件下的是后者活性的 1.5 倍。

 (A) MnO NPs 加入前后,
HE X XO 反应后的荧光光谱;
(B) MnO NPsCeONPs 和天然 SOD 酶:
˙O₂⁻ 清除能力与浓度间的关系;
X:黄嘌呤;XO:黄嘌呤氧化酶

值得指出的是,MnO NPs 不仅比天然 SOD 的热稳定性更好,还可以在较为广泛的温度范围内(20 60 °C)实现 SOD 酶功能的模拟,其温度适应范围优于天然 SOD。此外 Mn₃O₄ NPs 具有优异的长期储存稳定性,储存了两月之久的 MnO NPs 依然具有相当于新制 MnO NPs 的催化活性。

Mn₃O₄ NPs 模拟过氧化氢酶功能

HO₂ 是另一种重要的 ROS,而 MnO NPs 也具有清除的 HO₂ 催化活性。对苯二甲酸(Terephthalic AcidTA)与 HO₂ 反应生成 2- 羟基对苯二甲酸(2-Hydroxyterephthalic acid),其特征荧光波长为 425 nm,因此可用作 HO₂ 的探针分子。

由下图 A 中蓝色曲线与红色曲线的对比可知,MnO NPs 的存在可以有效地清除 HO₂。MnO NPs 清除 HO₂ 的催化性能同样是剂量依赖的:当浓度达到 20 μg mL⁻¹ 时,催化清除 HO₂ 的效率可达 75%,相当于 10 U mL⁻¹ 的天然过氧化氢酶。同样,MnO NPs 表现出比 CeO₂ 纳米酶更好的 HO₂ 清除性能(下图 B)。


▲ (A) MnO NPs 加入前后,
TA 与 HO₂ 反应后的荧光光谱;
(B) MnO NPsCeONPs 和天然过氧化氢酶:
HO₂ 清除能力与浓度间的关系

Mn₃O₄ NPs 清除氢氧自由基

除了 ˙O₂⁻ 和 HO₂,˙OH(氢氧自由基)也是一种重要的 ROS,而 MnO NPs 同样表现出清除 ˙OH 的能力。本研究中的 ˙OH 是通过与 Fe²⁺ 与 HO₂ 的反应产生的,并以水杨酸(SalicylicacidSA)作为探针分子,在 510 nm 峰值处进行吸收光谱的检测。


 Fenton 反应产生 ˙OH
Chem. Commun., 2014, 50, 359-361

如下图 A 所示,当水杨酸与 Fe²/HO₂ 混合后,在 510 nm 处出现明显的吸收峰(紫色曲线);当加入 MnO NPs 后,吸收峰的强度明显降低。下图 B 表明 MnO NPs 清除 ˙OH 的能力与纳米颗粒的浓度相关:当浓度达到 10 μg mL⁻¹ 时,催化清除 ˙OH 的效率接近 70%。另外,MnO NPs 依然表现出比 CeO₂ 纳米酶更好的 ˙OH 清除性能。


▲ (A) MnO NPs 加入前后,
SA 与 Fe²/HO₂ 反应后的吸收光谱;
(B) MnO NPs CeONPs
˙OH 清除能力与浓度间的关系

Mn₃O₄ NPs 在细胞内清除 ROS

在验证了 MnO NPs 对 ˙O₂⁻、HO₂ 和 ˙OH 的清除能力后,本文作者以海拉细胞系为模型研究了 MnO NPs 对细胞内 ROS 的清除活性。在进行细胞内活性测试前进行的 MTT 细胞毒性实验证明,MnO NPs 在实验条件下未表现出明显的细胞毒性(下图 A)。

然后使用 2',7'- 二氯二氢荧光素二乙酸酯(DCFH-DA)作为荧光探针监测细胞内的 ROS 水平,并通过激光共聚焦荧光成像技术进行观测。如下图 B 所示,RosupRosup 为活性氧阳性诱导药物)处理后出现了荧光强度的显著增强,表明海拉细胞中的 ROS 水平的增加。加入 MnO NPs 后,荧光强度明显下降。随着 NPs 剂量的增加,荧光强度逐渐降低,表明其对细胞内活性氧的清除能力与剂量的关联性。


 (A) 不同浓度 MnO NPs 下的海拉细胞活性;
(B) 不同处理条件下海拉细胞的激光共聚焦荧光图像;
(C) 对应于图 B 中各种条件下的 DCFH-DA 荧光强度

Mn₃O₄ NPs 在动物体内的消炎作用

将佛波醇乙酯(phorbol 12-myristate 13-acetatePMA)原位注射到一只实验小鼠的右耳皮下,小时后即出现炎症反应的症状(发红、肿胀)。如下图 C 所示,在荧光探针 DCFH-DA 存在的情况下,因 PMA 而发炎的耳部有明显的荧光增强。在分别用 0.5 μg kg¹ 1.25 μg kg¹ 剂量的 MnO NPs 进行治疗后,荧光的强度出现明显下降(下图 D E)。


▲ MnO NPs PMA 诱导炎症的治疗作用
(体内荧光检测)

本文作者最后总结到,本文报道的 MnO₄ 纳米酶清除 ROS 的能力为利用具有氧化还原活性的纳米酶进行炎症的治疗提供了新的希望。

通讯作者简介


魏辉,教授、博士生导师
南京大学现代工程与应用科学学院

2003 年本科毕业于南京大学化学系,期间在夏兴华教授组从事研究工作。同年进入中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室汪尔康院士组攻读研究生,2009 年毕业获博士学位。之后分别在陆艺教授(University of Illinois at Urbana-Champaign)与聂书明教授(Emory University)组从事博士后研究工作。2013 年加入南京大学现代工程与应用科学学院。2012 年入选青年千人计划,2014  年入选江苏省“双创计划”创新人才计划,2015 年入选英国皇家化学学会会士(Fellow of the Royal Society of Chemistry),2017 年获国家优秀青年基金资助。

自开展研究工作以来,在 Nature NanotechnologyACS NanoChemical Society ReviewsAnalytical ChemistryChemical Science 等国际学术期刊上发表 60 余篇研究论文,论文被引用 4000 余次,指数为 32。目前,研究工作集中在生物纳米功能材料、生物纳米医学、生物分析与传感等方面。

本文第一作者为魏辉教授课题组研究生姚佳

关于 Chem. Sci.

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Impact factor: 8.668 *

Editor-in-chief

  • Daniel G Nocera
    Harvard University, USA

Associate Editors

  • Alán Aspuru-Guzik
    Theoretical chemistry, Harvard University, USA

  • Michelle Chang
    Chemical Biology, University of California at Berkeley, USA

  • Christopher C Cummins
    Inorganic and organometallic chemistry, Massachusetts Institute of Technology, USA

  • Kazunari Domen
    Physical chemistry, energy and surface science, University of Tokyo, Japan

  • Vy Dong
    Organic chemistry, University of California, Irvine, USA

  • Matthew Gaunt
    Organic chemistry, University of Cambridge, UK

  • Hubert Girault
    Analytical science and electrochemistry, Federal Polytechnic School of Lausanne, Switzerland

  • Christopher A Hunter
    Physical organic, University of Cambridge, UK

  • David A Leigh
    Supramolecular chemistry, University of Manchester, UK

  • Kopin Liu
    Physical chemistry, Academia Sinica, Chinese Taipei

  • James McCusker
    Physical inorganic, Michigan State University, USA

  • Thomas Meade
    Molecular imaging and biosensing, Northwestern University, USA

  • Wonwoo Nam
    Bioinorganic chemistry, Ewha Womans University, Korea

  • Carsten Schultz
    Chemical biology, European Molecular Biology Laboratory, Germany

  • Dmitri Talapin
    Nanoscience and functional materials, The University of Chicago, USA

  • F Dean Toste
    Organic chemistry, University of California, Berkeley, USA

  • Haw Yang
    Physical chemistry, Princeton University, USA

  • Jihong Yu
    Inorganic materials, Jilin University, China

    于吉红,吉林大学

Scope

Chemical Science is the global journal for the discovery and reporting of breakthroughs in basic chemical research, communicated to a worldwide audience without barriers, through open access. Fundamental science that links to global challenges has global impact. 

The chemical sciences are at the heart of the solution to today’s global problems, and Chemical Science aims to be the global home and leading journal for such research. Articles must appeal to the general chemical science community.

* 2016 Journal Citation Reports ® (Clarivate Analytics, June 2017)

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