绝绝子 || 四大天然抗氧化剂与铁离子的奇妙组合，给了ROS和AKI致命一击！

研究背景

肾脏排泄功能障碍导致肾脏急性恶化是急性肾损伤（Acute kidney injury, AKI）最常见的症状。AKI主要由肾毒素、缺血/再灌注、脓毒症等引起的肾内活性氧（ROS）过平衡引起，破坏肾脏对氧化应激的耐受性，引起肾脏脂质、核酸和蛋白质的大量损伤。AKI患者数量在全球超过1330万，每年大约有170万人因此而死亡。虽然N-乙酰半胱氨酸（N-acetyl cysteine, NAC）作为抗氧化剂已在临床上应用于治疗AKI，但这往往需要高剂量的NAC才有效果且NAC的生物利用度仍然较低。因此，仍需开发新的方法用于有效治疗AKI。

通过纳米材料介导的ROS消除可以有效缓解氧化应激导致的功能细胞和器官损伤。过多的ROS在病变中会对细胞和器官造成严重的损伤，而仅仅依靠内源性抗氧化剂如谷胱甘肽（GSH）是不足以维持氧化还原平衡的。因此，开发能够清除ROS和缓解氧化应激的纳米材料来治疗AKI是十分有必要的。超小型配位聚合物纳米点（Coordination polymer nanodots, CPNs）具有丰富的结构和性能，成分易于调整和可生物降解等特点，并且由于其体积极小，肾脏能够很好的将其摄取并在治疗疾病之后排泄出体内。鉴于此，使用能够清除ROS和缓解氧化应激的超小型CPNs可能是治疗AKI的一种有效途径。

工作介绍

近日，苏州大学刘庄教授和程亮教授研究团队利用四种天然抗氧化剂与铁离子配位形成超小型CPNs用于清除细胞ROS和治疗AKI。

1. 姜黄素（Curcumin, Cur）、槲皮素（Quercetin, Quer）、没食子酸（Gallic acid, GA）和原花青素（Proanthocyanidin, PC）四种天然的抗氧化剂可以和铁离子配-形成超小型CPNs（Fe-Cur, Fe-Quer, Fe-GA和Fe-PC CPNs）。

2. 四种CPNs在水中具有良好的分散性和稳定性，并表现出较强的抗氧化能力。其中Fe-Cur CPNs的抗氧化能力最强，能够明显增强H₂O₂诱导的细胞抗氧化性。

3. 由于Fe-Cur CPNs的体积非常小，经静脉注射后，其可以很好的被肾脏摄取，明显减轻氧化应激引起的肾脏损伤，且治疗后的肾功能恢复良好。该研究表明基于天然产物分子和金属离子配位形成的CPNs可能作为一种新型药物用于治疗AKI和其他ROS相关疾病。

该工作发表在Materials Horizons上，IF=12.319。

研究思路

论文导读

Figure 1. CPNs的合成和表征

铁离子可以与这些天然产物分子的酚基配位结合，PVP的加入使得制备的CPNs具有良好的分散性和稳定性，四种CPNs粒径均小于10 nm（Figure 1a-f）。以Fe-Cur CPNs为例，XPS中两个铁离子的结合能峰表明在制备的CPNs中铁离子的氧化状态没有改变（Figure 1g），FTIR数据说明姜黄素的HO-C部分和Fe³⁺成功配位（Figure 1h）。

Figure 2. Fe-Cur CPNs抗氧化能力研究

由于多酚通常被认为是天然抗氧化剂，因此首先使用1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl（DPPH）自由基作为探针考察了四种CPNs的抗氧化能力。（注：DPPH自由基是自由基清除实验中广泛使用的模型之一，其在517 nm处的特征吸收峰会因抗氧化剂的存在而消失。）四种CPNs均表现出优异的抗氧化能力，其中Fe-Cur CPNs的抗氧化能力最强，在200 μg mL^-1时能够清除90%以上的DPPH自由基（Figure 2b-c）。在2,2'-azinobis (3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonate) （ABTS）自由基实验中得到了同样的结果（Figure 2d）。·OH自由基作为一种最具生理相关性的自由基，在细胞损伤和机体疾病中起着重要作用。亚甲基蓝（Methylene blue, MB）实验表明Fe-Cur CPNs对Fenton反应生成的·OH自由基具有较强的清除效率（Figure 2e-f）。此外，分别以5,5-dimethyl-1-pyrroline N-oxide（DMPO）和2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl（TEMPO）作为自由基捕获剂，通过电子自旋共振（Electron spin resonance, ESR）光谱检测，同样证明了Fe-Cur CPNs可以有效清除·OH自由基（Figure 2g-h）。

Figure 3. Fe-Cur CPNs体外ROS清除能力研究

以人胚胎肾细胞293（HEK293）为模型，考察了Fe-Cur CPNs在细胞内清除ROS的能力（Figure 3a）。高浓度H₂O₂会诱导细胞产生过度的氧化应激并导致细胞死亡，而Fe-Cur CPNs可以明显抑制氧化应激造成的细胞死亡，使得大量经H₂O₂诱导后的细胞依旧保持较高的活性（Figure 3b-c）。这是因为Fe-Cur CPNs能够在细胞体内高效的清除ROS，减弱细胞的氧化应激，能够对细胞起到抗氧化的保护作用（Figure 3d-f）。

Figure 4. Fe-Cur CPNs在体内缓解AKI研究

以ROS诱导的AKI小鼠为模型，考察了Fe-Cur CPNs在体内缓解AKI的能力。将¹²⁵I同位素标记在Fe-Cur CPNs上用于研究Fe-Cur CPNs在体内的分布，由于这些纳米点的尺寸非常小，因此肾脏对Fe-Cur CPNs有较高的摄取并能维持在肾脏部位24小时，而在肝脏和脾脏部位很快就被排泄掉（Figure 4b-c）。此外，用普鲁士蓝染色法对肾脏切片进行染色，同样证实了肾脏对Fe-Cur CPNs的高摄取（Figure 4d）。AKI小鼠的肾脏部位产生大量的ROS，而经过Fe-Cur CPNs治疗后肾脏部位的ROS明显减少（Figure 4e）。AKI的主要临床特征是血尿素氮和肌酐水平过高，可用此评价肾脏排泄功能。相较于临床用药NAC，Fe-Cur CPNs在低剂量的情况下就能将这两者含量维持在健康小鼠的水平（Figure 4f-g），这证明了Fe-Cur CPNs在体内具有清除ROS的能力，可以保护AKI后的肾脏排泄功能，H&E染色进一步表明治疗后的肾小管仅有一些早期损伤和坏死，可以有效减轻AKI造成的肾小管损伤（Figure 4h）。

Figure 5. Fe-Cur CPNs治疗后肾功能的评价

选用异硫氰酸荧光素-左旋荧光素（Fluorescein isothiocyanate-sinistrin, FITC-sinistrin）进一步评价AKI小鼠的肾功能，静脉注射后，通过检测其保留半衰期来检测小鼠的肾功能。FITC-sinistrin在AKI小鼠的保留半衰期明显长于健康小鼠，表明AKI小鼠出现严重的肾功能障碍，而经过Fe-Cur CPNs治疗后，其保留半衰期又重新恢复到健康小鼠的水平，表明小鼠的肾功能有所恢复（Figure 5b-f）。且未经治疗的AKI小鼠的体重会急剧下降，在6天内全部死亡，虽然治疗组小鼠在治疗的初期会出现体重减轻的现象，但在两周内其体重会恢复到正常水平（Figure 5g-j）。病理切片同样证明了治疗组的小鼠肾脏功能结构完整，并无异常损害（Figure 5i）。

论文亮点

1. 利用铁离子和四种天然抗氧化剂合成了四种尺寸较小的CPNs，粒径均小于10 nm。

2. 超小的尺寸有利于该CPNs在肾脏部位的高摄取，并能在治疗后通过肾脏排泄出去。

3. Fe-Cur CPNs展现出最强的抗氧化能力和清除ROS的能力，能够缓解细胞的氧化应激，有效治疗AKI。

4. 通过天然产物分子和金属离子配位形成CPNs有望作为一种新型药物用于治疗与ROS相关的疾病。

文献链接

Rui Zhang, Liang Cheng*, Ziliang Dong, Linqian Hou, Shaohua Zhang, Zhouqi Meng,Oshra Betzer, Yihua Wang, Rachela Popovtzer and Zhuang Liu*

Ultra-small natural product based coordination polymer nanodots for acute kidney injury relief, Mater. Horiz., 2021, 8, 1314–1322. DOI: 10.1039/d0mh00193g.

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