南京大學魏輝課題組 Chem Sci：像 SOD 一樣抗氧化的 Mn?O?納米顆粒，成功治癒小鼠體內的炎症

近日，英國皇家化學會旗艦期刊Chemical Science發表了南京大學魏輝教授課題組的前沿論文（Edge Article），報道了用 Mn?O? 納米顆粒（Mn?O? NPs）作為納米酶模仿SOD（超氧化物歧化酶）和過氧化氫酶清除體內ROS（活性氧類物質）的工作。Mn?O? 納米酶不僅比天然酶更為穩定，而且抗氧化催化活性優於之前報道的 CeO? 納米酶，更是在體外和體內都表現出優異的 ROS 清除功能。本文作者還利用 Mn?O? 納米酶成功緩解了由 ROS 引起的小鼠耳部炎症。

• ROS scavenging Mn?O? nanozymes forin vivoanti-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

  

  非常感謝魏輝教授對本報道的細緻審閱與修改。

研究背景

炎症已被證明會導致各種疾病，如類風濕性關節炎、心血管疾病甚至是癌症。活性氧類物質（reactive oxygen species，ROS），包括超氧自由基（˙O??）、過氧化氫（H?O?）和羥基自由基（˙OH）等，與炎症的過程高度相關，它們的失調對炎症相關疾病的發生和發展起著非常重要的作用；ROS 導致的氧化應激會對生物分子（如 DNA、蛋白質和脂類）的損害。

會對生物體造成氧化傷害的部分ROS

為了防止這種傷害，動植物演化出了多種天然的抗氧化劑，以保持體內的 ROS 平衡。其中，超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）可以催化˙O2? 的歧化反應生成H?O?，而過氧化氫酶（Catalase，CAT）則可催化過氧化氫生成氧氣和水。

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SOD和CAT轉化活性氧類物質

生物體內的 SOD 的催化活性中心通常為具有多種化合價的金屬離子，常見的SOD 分別以銅和鋅（Cu/Zn SOD）、錳（Mn SOD）、鐵（Fe SOD）或鎳作為輔因子。在其催化反應過程中，SOD 酶中的金屬離子 M 的氧化態在n和n+1之間循環，以起到電子轉移和傳遞的作用。

結合不同金屬離子的各類SOD酶的結構

Credit: PDB-101

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SOD酶的催化機理

雖然天然酶可通過清除ROS 來有效地發揮抗炎作用，但它們對環境條件（如溫度和pH值等）比較敏感並且難以大規模生產。因此，人們致力於開發具有ROS清除功能的人工模擬酶，以克服天然酶的固有缺點。

過去幾十年來，一些無機納米材料被發現具有與天然酶類似的催化活性和機制，可以催化天然酶的底物反應，因此被稱為納米酶（Nanozymes）。與天然酶相比，納米酶具有許多優點，例如優異的熱穩定性和生物穩定性、多功能性、易於製備以及活性可調等。

天然酶、人工酶、納米酶發展路線圖

Chem. Soc. Rev., 2013,42, 6060-6093

（南京大學魏輝、長春應用化學研究所汪爾康）

在已報道的各類納米酶中，相當一部分具有清除ROS的活性，而其中一個比較經典的例子就是二氧化鈰納米顆粒（ceria nanoparticles，CeO?NPs）。CeO?NPs中的鈰具有Ce3? 和Ce?? 的混合價態，具有高效的 SOD 類酶活性。

中科院高能物理所何瀟、張智勇等最近報道了

一種電子轉移策略，讓粒徑 5 nm 以上的 CeO? NPs

也能實現超氧自由基的清除

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

另一方面，葯代動力學研究顯示Mn SOD在慢性疾病的治療方面優於Cu/Zn SOD和Fe SOD，因此人們長期以來都致力於合成基於Mn的SOD模擬酶。然而，具有抗氧化活性的Mn基納米酶的生物醫學應用較少，最近才報道了一種氧化錳納米顆粒材料（Angew. Chem., Int. Ed., 2017,56, 14267–14271）具有抗氧化活性並用於在體外條件下保護細胞免受氧化傷害。不過，能在體內條件下實現消炎作用的Mn基納米酶還未見報道。

本篇論文

本文報道了用Mn?O? 納米顆粒（Mn?O?NPs）作為SOD模擬酶和catalase模擬酶清除體內ROS（活性氧物質）的工作。Mn?O?納米酶不僅比天然酶更為穩定，而且消除 ROS 的類催化活性優於之前報道的CeO? 納米酶，更是在體外和體內都表現出優異的ROS清除功能。本文作者還利用Mn?O?納米酶成功緩解了由ROS引起的小鼠耳部炎症。

Mn?O? NPs的合成

本文所用的Mn?O? NPs 是通過水熱法合成的，並通過TEM和XRD表徵加以確認。結果顯示，所得的納米顆粒具有多面體外形，平均粒徑7-8 nm，d?????= 0.492 nm。根據X射線光電子能譜分析（XPS）的結論，納米顆粒表面上Mn2? 和Mn3? 的比例約為1:2。

Mn?O?NPs的TEM與粉末XRD表徵

Mn?O? NPs 模擬 SOD 酶功能

鑒於超氧自由基（˙O??）是最具破壞力的ROS，本文作者首先利用˙O?? 的特異性探針分子二氫乙錠（hydroethidine，HE）研究了Mn?O?NPs模擬SOD酶催化清除˙O?? 的性能。二氫乙錠會被˙O??氧化成啶鎓（ethidium，E?），其在 520 nm 波長的激發下會於610 nm波長附近發出強烈的熒光。

由下圖 A 中藍色曲線與紅色曲線的對比可知，Mn?O? NPs 可有效地清除˙O??。由下圖 B 所知，Mn?O? NPs 清除˙O?? 的催化性能與劑量相關：當濃度達到 20 μg mL?1 時，˙O?? 的清除效率可達 75%，相當於 1 U mL?1 的天然 SOD。另外，Mn?O? NPs 表現出比 CeO? 納米酶更好的˙O?? 清除性能，在相同條件下的是後者活性的 1.5 倍。

(A) Mn?O?NPs加入前後，

HE與X和XO反應後的熒光光譜；

(B) Mn?O?NPs、CeO?NPs和天然SOD酶：

˙O?? 清除能力與濃度間的關係；

X：黃嘌呤；XO：黃嘌呤氧化酶

值得指出的是，Mn?O?NPs不僅比天然SOD的熱穩定性更好，還可以在較為廣泛的溫度範圍內（20至60 °C）實現SOD酶功能的模擬，其溫度適應範圍優於天然 SOD。此外 Mn?O? NPs 具有優異的長期儲存穩定性，儲存了兩月之久的Mn?O?NPs依然具有相當於新制Mn?O?NPs的催化活性。

Mn?O? NPs 模擬過氧化氫酶功能

H?O? 是另一種重要的ROS，而Mn?O?NPs也具有清除的H?O? 催化活性。對苯二甲酸（Terephthalic Acid，TA）與H?O? 反應生成2-羥基對苯二甲酸（2-Hydroxyterephthalic acid），其特徵熒光波長為425 nm，因此可用作H?O? 的探針分子。

由下圖A中藍色曲線與紅色曲線的對比可知，Mn?O?NPs的存在可以有效地清除H?O?。Mn?O?NPs清除H?O? 的催化性能同樣是劑量依賴的：當濃度達到20 μg mL?1 時，催化清除H?O? 的效率可達75%，相當於10 U mL?1 的天然過氧化氫酶。同樣，Mn?O?NPs表現出比CeO? 納米酶更好的H?O? 清除性能（下圖B）。

(A) Mn?O?NPs加入前後，

TA與H?O? 反應後的熒光光譜；

(B) Mn?O?NPs、CeO?NPs和天然過氧化氫酶：

H?O? 清除能力與濃度間的關係

Mn?O? NPs 清除氫氧自由基

除了˙O?? 和H?O?，˙OH（氫氧自由基）也是一種重要的ROS，而Mn?O?NPs同樣表現出清除˙OH的能力。本研究中的˙OH是通過與Fe2?與H?O? 的反應產生的，並以水楊酸（Salicylicacid，SA）作為探針分子，在510 nm峰值處進行吸收光譜的檢測。

Fenton反應產生˙OH

Chem. Commun., 2014,50, 359-361

如下圖A所示，當水楊酸與Fe2?/H?O? 混合後，在510 nm處出現明顯的吸收峰（紫色曲線）；當加入Mn?O?NPs後，吸收峰的強度明顯降低。下圖B表明Mn?O?NPs清除˙OH的能力與納米顆粒的濃度相關：當濃度達到10 μg mL?1 時，催化清除˙OH的效率接近70%。另外，Mn?O?NPs依然表現出比CeO? 納米酶更好的˙OH清除性能。

(A) Mn?O?NPs加入前後，

SA與Fe2?/H?O? 反應後的吸收光譜；

(B) Mn?O?NPs與CeO?NPs：

˙OH清除能力與濃度間的關係

Mn?O? NPs 在細胞內清除 ROS

在驗證了Mn?O?NPs對˙O??、H?O? 和˙OH的清除能力後，本文作者以海拉細胞係為模型研究了Mn?O?NPs對細胞內ROS 的清除活性。在進行細胞內活性測試前進行的MTT細胞毒性實驗證明，Mn?O?NPs在實驗條件下未表現出明顯的細胞毒性（下圖A）。

然後使用2",7"-二氯二氫熒光素二乙酸酯（DCFH-DA）作為熒光探針監測細胞內的ROS水平，並通過激光共聚焦熒光成像技術進行觀測。如下圖B所示，Rosup（Rosup為活性氧陽性誘導藥物）處理後出現了熒光強度的顯著增強，表明海拉細胞中的ROS水平的增加。加入Mn?O?NPs後，熒光強度明顯下降。隨著NPs劑量的增加，熒光強度逐漸降低，表明其對細胞內活性氧的清除能力與劑量的關聯性。

(A)不同濃度Mn?O?NPs下的海拉細胞活性；

(B)不同處理條件下海拉細胞的激光共聚焦熒光圖像；

(C)對應於圖B中各種條件下的DCFH-DA熒光強度

Mn?O? NPs 在動物體內的消炎作用

將佛波醇乙酯（phorbol 12-myristate 13-acetate，PMA）原位注射到一隻實驗小鼠的右耳皮下，6小時後即出現炎症反應的癥狀（發紅、腫脹）。如下圖C所示，在熒光探針DCFH-DA存在的情況下，因PMA而發炎的耳部有明顯的熒光增強。在分別用0.5 μg kg?1和1.25 μg kg?1劑量的Mn?O?NPs進行治療後，熒光的強度出現明顯下降（下圖D和E）。

Mn?O?NPs對PMA誘導炎症的治療作用

（體內熒光檢測）

本文作者最後總結到，本文報道的Mn?O? 納米酶清除ROS的能力為利用具有氧化還原活性的納米酶進行炎症的治療提供了新的希望。

通訊作者簡介

魏輝，教授、博士生導師

南京大學現代工程與應用科學學院

2003年本科畢業於南京大學化學系，期間在夏興華教授組從事研究工作。同年進入中國科學院長春應用化學研究所電分析化學國家重點實驗室汪爾康院士組攻讀研究生，2009年畢業獲博士學位。之後分別在陸藝教授（University of Illinois at Urbana-Champaign）與聶書明教授（Emory University）組從事博士後研究工作。2013年加入南京大學現代工程與應用科學學院。2012年入選青年千人計劃，2014年入選江蘇省「雙創計劃」創新人才計劃，2015 年入選英國皇家化學學會會士（Fellow of the Royal Society of Chemistry），2017年獲國家優秀青年基金資助。

自開展研究工作以來，在Nature Nanotechnology、ACS Nano、Chemical Society Reviews、Analytical Chemistry、Chemical Science等國際學術期刊上發表60餘篇研究論文，論文被引用4000餘次，H指數為32。目前，研究工作集中在生物納米功能材料、生物納米醫學、生物分析與感測等方面。

本文第一作者為魏輝教授課題組研究生姚佳。

關於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

  于吉紅，吉林大學

Scope

Chemical Scienceis 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.

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

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