Advanced Materials: 纳米酶仿生设计缓解缺血再灌注损伤

发布者：黄兴禄作者：黄兴禄发布时间：2021-04-01浏览次数：

缺血再灌注损伤是缺血组织血液再灌注时引起比缺血更严重的损伤，在临床上是常见的症状，其致病机理复杂，而缺血-再灌注的过程往往也伴随着缺氧-富氧的过程，线粒体呼吸链在这过程中会突发产生大量的超氧自由基（O₂^•^-），这也是导致组织损伤的主要诱因之一。经过亿万年进化，细胞内已形成大量的氧化还原酶来维持胞内氧化还原稳态，其中主要负责清除O₂^•^-的是超氧化物歧化酶（SOD），在哺乳动物细胞内，SOD酶主要包括三种亚型，线粒体Mn-SOD，胞质Cu/Zn-SOD和胞外Cu/Zn-SOD。近日，南开大学黄兴禄教授、孔德领教授与庄洁副教授合作，利用纳米酶技术仿生设计和合成了线粒体Mn-SOD，并探索其在缓解心脏缺血再灌注损伤上的应用。相关成果近日已在Advanced Materials上在线发表。

本研究基于合成生物学从头设计（de novo design）的理念，选用人源铁蛋白重链重组蛋白（FTn）作为蛋白骨架，利用其自身天然亲和金属离子的能力，合成了可靶向细胞内线粒体的铁蛋白Mn-SOD纳米酶（Mito-Fenozyme）。结果显示，该纳米酶具有较高的SOD酶活性，并且显示出比较好的过氧化氢酶（CAT）活性，更为有意思的是，该纳米酶没有过氧化物酶（POD）活性。而纳米酶材料基本都会展现出一定的POD活性，这一特性不仅能够通过SOD-CAT级联反应有效清除O₂^•^-，还能避免由POD诱导产生高细胞毒性的羟基自由基（OH^•^-）。细胞试验也进一步证实了，该纳米酶具有靶向线粒体能力及清除线粒体来源O₂^•^-的优势。

（a）Mito-Fenozyme的设计；（b）FTn与Mito-Fenozyme电镜图；（c）Mito-Fenozyme酶学特性示意图；（d）细胞内线粒体靶向能力；（e）Mito-Fenozyme通过级联反应有效清除胞内线粒体O₂^•^-。

他们在这之前的研究中发现组织缺氧情况下，会高表达铁蛋白的受体（PNAS, 2017; ACS NANO 2019；Biomaterials，2020）。组织缺血也会伴随着缺氧的发生，本研究也发现铁蛋白能够靶向缺血再灌注心脏组织，并且呈现出在缺血区域聚集分布的特点。尾静脉注射小鼠模型后，能有效的缓解心脏组织损伤导致的心脏功能衰减。

（a）FTn在缺血再灌注心脏的靶向能力；（b）FTn在心脏组织缺血区的分布情况；（c）心脏超声证明Mito-Fenozyme在缓解缺血再灌注心脏组织损伤上的效果。

除了通过全身靶向递送外，本研究也将Mito-Fenozyme与高粘性心脏补片（patch）复合，制备了可直接贴到心脏缺血部位的纳米酶补片（Mitofegel）。研究证实，纳米酶补片通过非侵入方式局部贴到心脏缺血部位，具有长时间的滞留效果，复合的纳米酶材料能够有效的实现在心脏组织的深度渗透，从而对心脏组织起到保护作用。

（a）高粘性心脏补片水凝胶扫描电镜图；（b）补片与心脏粘合；补片在心脏的（c）滞留和（d）渗透；（e）马氏染色验证Mitofegel对心脏组织坏死的保护作用。

本研究基于重组铁蛋白作为蛋白骨架，利用其自身的特性，生物仿生设计了可靶向缺血心脏组织及线粒体的纳米酶，并验证了它们在保护缺血再灌注动物模型上的作用。以蛋白作为骨架来从头设计纳米酶能够更好的贴近酶的特性，为未来纳米酶的设计提供了新的选择。