补救性纳米平台!上海大学等发现新型纳米酶可替代六种天然酶

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活性氧(ROS)在生物体中生成并消耗,以进行正常的新陈代谢。但是,ROS的过度生成与各种人类疾病的发病机理和进展有关。


2021年4月13日,来自上海大学陈雨和上海交通大学附属第六人民医院李跃华等研究团队在Nature Communications 上在线发表了题为“2D vanadium carbide MXenzyme to alleviate ROS-mediated inflammatory andneurodegenerative diseases”的研究论文,报道了一种二维碳化钒MXenzyme,它可以模拟多达六种天然存在的酶,包括超氧化物歧化酶(SOD),过氧化氢酶(CAT),过氧化物酶(POD),谷胱甘肽过氧化物酶(GPx),硫醇过氧化物酶(TPx)和卤代过氧化物酶(HPO)。这些发现为使用MXenzyme作为治疗ROS介导的炎性和神经退行性疾病的补救性纳米平台开辟了道路。


补救性纳米平台!上海大学等发现新型纳米酶可替代六种天然酶


活性氧(ROS)是包含氧的化学反应分子,包括单线态氧(1O2),超氧阴离子自由基(O2-•),羟基自由基(•OH)和过氧化氢(H2O2)。在低浓度下,ROS在调节细胞功能中起着至关重要的作用。


但是,ROS的生成过剩将使生物系统引起氧化应激。过量的ROS对生物大分子造成不可逆的氧化损伤,诱导多种有害的细胞反应,并引发多种病理情况。因此,为了缓解其有害作用,严格的ROS调节对于维持细胞稳态至关重要。


在正常情况下,抗氧化应激的细胞内氧化还原平衡由一系列酶促抗氧化剂维持,这些抗氧化剂主要由超氧化物歧化酶(SOD),过氧化氢酶(CAT),过氧化物酶(POD),硫醇过氧化物酶(TPx),谷胱甘肽过氧化物(GPx)组成)等。但是,天然酶通常涉及蛋白质和RNA分子,它们容易受到环境因素的影响,并且在病理条件下变得无活性。


为了克服这些缺点,已经设计并构建了具有固有酶样特性的被称为“纳米酶”的人造酶,作为发挥酶功能性的替代方法。由于其卓越的性能(制备简便,稳定性高,活性可调等),纳米酶引起了极大的关注,并使其在生物医学领域得到了广泛的应用。最近,在新兴的纳米酶领域中有了令人兴奋的发现,例如铁基纳米颗粒,铜基纳米反应器,碳基纳米平台,纳米氧化铈,贵金属基纳米材料(例如Au,Pt以及Pd),有机纳米酶等。


其中,钒是40种必需微量营养素之一,在生物系统中具有调节作用。由于对经典的过氧化物酶底物具有固有的催化活性和长期的抗生物结垢能力,钒基纳米材料在纳米酶领域已引起越来越多的关注。尽管前景广阔,但到目前为止,几乎没有开发出钒基纳米酶。


补救性纳米平台!上海大学等发现新型纳米酶可替代六种天然酶


这些纳米酶尤其主要集中于体外的单一酶功能,而几乎忽略了体内作用。更重要的是,仅具有单一功能的人工酶在对抗氧化应激中不能模仿天然的细胞内抗氧化剂系统。纳米酶发展的当前趋势集中在构建纳米反应器上,以模拟复杂的细胞内酶参与的ROS防御系统。因此,有必要开发更坚固的钒基纳米材料,其可以在功能上模仿复杂的细胞抗氧化酶。


过渡金属碳化物和/或氮化物(MXenes)的最新进展表明,MXenes被认为是二维(2D)材料中一类蓬勃发展的应用,其潜在用途包括储能到生物医学,这归因于它们的通用组成,理化多样性,以及可定制性。尽管在诊断学,生物传感,生物成像和抗菌方面已经取得了一些令人印象深刻的初步结果,但仍然迫切需要探索在体外和体内对MXene的其他方案。


研究人员利用2D碳化钒(V2C)MXene,指导纳米酶在病理生理条件下实施抗氧化行为以消除ROS。MXene与酶之间的相互依存关系激发提出“ MXenzyme”的概念:MXenzyme与纳米酶的命名类似,突出了MXenes的模仿酶特性。即2D V2C MXenzyme是一种人工纳米酶,它具有固有的多种酶样活性,包括SOD,CAT,POD,TPx,GPx和卤代过氧化物酶(HPO),可以催化ROS。研究结果表明,二维V2C MX酶有效地将O2-催化为H2O2和O2,将H2O2分解为O2和H2O并去除了•OH,并且通过体内试验抑制了ROS的升高。


总之,多功能MX酶的协同催化可实现针对氧化应激诱导的炎症和神经毒性的智能细胞保护。该策略不仅揭示了具有多种酶模拟特性和出色的ROS去除功效的纳米酶,而且为将MXenes的生物应用拓宽到催化纳米药物中铺平了道路。


文章来源: 上海大学

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