金屬有機框架納米酶MIL-47(V)的類穀胱甘肽過氧化物酶活性的調控研究及抗炎應用

2021-01-14 納米酶 Nanozymes
生物體在正常生理代謝過程中會產生一些含氧並且性質活潑的物質，如超氧化物、H2O2等，這些物質被統稱為活性氧（ROS）。在正常生理條件下，活性氧的產生與清除處於平衡狀態；但在病理條件下，活性氧產生與清除的失衡會加劇炎性疾病惡化。在眾多活性氧中，H2O2至關重要。它不僅壽命長，易在脂質膜上擴散與轉移，還可產生高度破壞性的羥基自由基。生物體內天然存在的穀胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，簡稱GPx）可以通過催化穀胱甘肽（GSH）將過量的H2O2轉化為H2O，降低其對生物體的損傷，因而在眾多疾病治療的研究中得到了廣泛關注。但GPx與諸多天然酶一樣，受其本身蛋白質結構的影響，在實際應用中存在穩定性差、可用性差等缺點，限制了其進一步發展。納米模擬酶（Nanozyme，簡稱納米酶）是一類具有類酶特性的納米材料。在目前眾多天然酶模擬物中，納米酶以其獨特的高比表面積、低成本、豐富的表面化學形貌等優勢獲得了廣泛的關注，與其相關的應用研究也日漸增多。然而，現有應用中尚未報導僅利用類GPx納米酶用於治療的研究。究其原因是，在現有納米酶研究中，僅有幾種材料被報導具有類GPx酶活性，且其活性一般，因而需要與其他抗氧化劑聯合用於治療。因此，探索開發新型高性能的類GPx納米酶並將其用於生物醫學治療有深遠的臨床意義。


近年來，金屬有機框架（MOF）在模擬水解酶、過氧化物酶等方面的積極探索為相關領域眾多研究者提供了新思路。受此啟發，本研究利用與金屬蛋白酶具有相似金屬-配體相配位的MOF結構，通過改變配體從而製備出一系列具有類GPx活性的MOF納米酶，並將其用於老鼠耳朵炎症和腸炎的治療研究。如圖1所示，選取萊瓦希爾框架材料（MILs），通過在1,4-苯二甲酸（BDC）配體中引入F、Br、NH2、CH3和OH的取代，從而調控MIL-47(V)-X的類GPx活性，並將其進一步用於體內抗炎治療。


圖1：構建類GPx的MIL-47(V)-X MOF納米酶用於抗炎治療的示意圖。金屬釩與一系列取代的對苯二甲酸配位形成具有類GPx活性的MIL-47(V)-X MOFs (X = F，Br，NH2，CH3，OH和H)。其中，MIL-47(V)-NH2具有最優異的類GPx活性，並被用於進一步的抗炎治療研究。其優異的抗氧化能力可有效減輕耳朵炎症和腸炎模型中的炎症反應。


MIL-47(V)-X利用微波方法合成，並通過PXRD表徵確認其成功製備後（圖2A），通過監測煙醯胺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）在340nm處吸光度變化，研究了它們的類GPx活性（圖2B）。如圖2C、2D中結果顯示，每一種MIL-47(V)-X都表現出類GPx活性，且MIL-47(V)-NH2顯示最高活性。


圖2：(A) MIL-47(V)-X的PXRD表徵。(B)類GPx的MIL-47(V)-X MOF納米酶與穀胱甘肽還原酶偶聯催化的反應示意圖(GR，PDB ID:3GRS)。(C)在室溫下，在含有2 mM穀胱甘肽、0.4 mM過氧化氫和0.4 mM NADPH的50 mM磷酸鹽緩衝液(pH = 7.4)條件下，監測340 nm (A340 nm)吸光度隨時間的變化，用於表徵MIL-47(V)-X MOFs的類GPx催化活性。(D) MIL-47(V)-X的類GPx活性的柱狀圖比較。空白實驗是指在沒有MOF的情況下。


基於上述結果以及對底物和催化劑濃度對反應動力學等影響的研究，選擇20、50和80 µg mL-1 的MIL-47(V)-NH2 MOF納米酶用於進一步體內、外研究。在研究MIL-47(V)-NH2 MOF納米酶的潛在生物應用之前，首先進行體外實驗評估其細胞保護作用和體外ROS清除能力（圖3A）。首先，進行細胞毒性實驗以評估MIL-47(V)-NH2 MOF納米酶的生物相容性（圖3B）。然後，研究了MIL-47(V)-NH2 MOF納米酶對H2O2誘導的氧化應激的細胞保護能力（圖3C）。結果表明，MIL-47(V)-NH2 MOF納米酶不僅具有良好的生物相容性，還是一種有效的ROS清除劑，可保護細胞免受氧化損傷。


圖3：（A）細胞保護示意圖。(B)不同濃度MIL-47(V)-NH2 MOF下的細胞存活率。(C)MIL-47(V)-NH2 MOF的細胞保護能力。(D)不同處理下細胞的螢光顯微圖像。


受到體外實驗結果的激勵，分別用佛波醇12-肉豆蔻酸13-乙酸酯（PMA）誘導的小鼠耳炎模型和葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導的腸炎模型評估了MIL-47(V)-NH2 MOF納米酶的體內抗炎效果。小鼠耳炎模型實驗中，將不同濃度的MIL-47(V)-NH2 MOF皮下注射到發炎的耳朵進行治療後觀察到了活性氧探針DCFH-DA螢光的減少以及耳組織的炎症減輕（圖4）；在小鼠腸炎模型實驗中，在用MIL-47(V)-NH2 MOF治療後，小鼠體重逐漸恢復並且觀察到炎性細胞因子 IL-1β（圖5E）和TNF-α（圖5F）的顯著下調。在耳炎症模型與腸炎模型中，MIL-47(V)-NH2與活性較低的MIL-47(V)-H納米酶相比均具有更優異的抗炎效果。同時，治療中均未發現小鼠心臟、肺、肝臟、脾和腎等其他器官明顯損傷。以上結果證明了MIL-47(V)-NH2 MOF納米酶具有有效緩解炎症的性能，表明其作為一種有效納米藥物用於抗炎治療的潛力。


圖4：(A)耳部炎症模型示意圖。(B)不同處理後耳炎症小鼠的活體螢光成像。(C)不同處理後的右耳組織H&E染色圖像。


圖5：(A)腸炎模型的建立和治療程序示意圖。(B)不同治療下的每日體重記錄。(C)第10天拍攝的腸圖像。(D)不同處理下腸組織的H&E染色圖像。及不同處理下腸勻漿中(E)白介素-1β和(F)腫瘤壞死因子-α的水平。


研究首次報導了具有類GPx活性的MOF納米酶。通過將金屬釩與取代的對苯二甲酸配位製備出一系列具有類GPx活性的MIL-47(V)-X (X = F，Br，NH2，CH3，OH和H) MOF納米酶。且以最優性能MIL-47(V)-NH2為例，證明了其在體外清除活性氧和保護細胞免受氧化損傷的功能。這一結果擴展到體內抗炎，進一步證明了類GPx的MIL-47(V)-NH2納米酶對耳部炎症和腸炎的廣譜抗炎作用。同時，高活性MIL-47(V)-NH2的治療效果優於低活性MIL-47(V)-H。上述研究結果不僅驗證了類GPx的納米酶可以單獨應用於抗炎治療，而且證明了傳統的結構-活性關係概念可以應用於基於納米酶的治療設計。因此，該工作不僅拓展了仿生MOF的研究，且此類抗氧化納米酶的開發豐富了目前納米酶的研究，為納米酶的設計及仿生研究提供了一種新策略。




原文：

Jiangjiexing Wu et al. Ligand-dependent activity engineering of glutathione peroxidase-mimicking MIL-47(V) metal–organic framework nanozyme for therapy, Angewandte Chemie International Edition (2020). DOI: 10.1002/anie.202010714; Angewandte Chemie (2020). 10.1002/ange.202010714.







撰稿：陳夕雯

校審：武江潔星

編輯：徐庚辰


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