【Nature子刊】2024年阎锡蕴院士、范克龙研究员首篇研究成果

2024
02/24

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研究发现模拟中性粒细胞酶级联的超小型金属合金纳米酶用于肿瘤催化治疗的机制。

导读:开发模拟中性粒细胞杀伤机制的策略,涉及超氧化物歧化酶 (SOD) 和髓过氧化物酶 (MPO) 的酶级联反应,显示出作为癌症治疗的可行方法的潜力。然而,利用天然酶作为治疗方法受到各种挑战的阻碍。虽然纳米酶已经出现在癌症治疗中,但在一种纳米酶中开发SOD-MPO级联仍然是一个挑战。

2024年2月22日,中国科学院生物物理研究所阎锡蕴院士、范克龙研究员共同通讯在期刊Nature Communications上发表文章“Ultrasmall metal alloy nanozymes mimicking neutrophil enzymatic cascades for tumor catalytic therapy”,研究发现模拟中性粒细胞酶级联的超小型金属合金纳米酶用于肿瘤催化治疗的机制。

研究背景

纳米酶为酶催化疗法的开发提供了材料。纳米酶的纳米结构不仅赋予它们高效的催化功能,而且比天然酶具有更高的稳定性和更容易扩展的性。这使得纳米酶能够取代甚至超越天然酶,使其广泛应用于多个领域。纳米酶在调节肿瘤催化治疗和抗菌应用的ROS方面显示出巨大的潜力。然而,值得注意的是,由于这些纳米酶对 H2O2 的亲和力低,并且肿瘤微环境和微生物内部的 H2O2 水平通常较低,因此这些纳米酶的治疗效果可能会受到限制。在之前的报道中,开发了一种单原子纳米酶,能够催化从 H2O2 和 Cl− 中产生 O2·− 和HClO。这有效地促进了耐药菌的消除和细菌感染的愈合。然而,由于缺乏类似SOD的活性,纳米酶无法催化H2O2作为MPO底物的生成,因此在处理过程中需要额外的H2O2。在治疗肿瘤时,肿瘤微环境中H2O2的限制水平(小于0.1 mM)使得还需要额外的H2O2,不仅增加了治疗的复杂性,而且增加了后续临床转化的难度。因此,开发具有SOD和MPO双重酶样活性的纳米酶来模拟用于肿瘤治疗的中性粒细胞酶级联反应非常有价值,尽管具有挑战性。

研究结果

本文通过调整合金配比,开发了一系列超小型金属纳米酶:Au、Au3Pd1、Au2Pd2、Au1Pd3、Pd,发现这些纳米酶表现出合金比例依赖的SOD和MPO样活性,其中Au1Pd3合金纳米酶的级联活性最高。此外,我们利用理论计算阐明了这些纳米酶的催化机理,发现O2·−的高d波段中心和吸附能有助于SOD-MPO级联活性。重要的是,Au1Pd3合金纳米酶成功地模拟了中性粒细胞的SOD-MPO级联酶杀伤功能,并通过产生HClO和1O2引起DNA损伤和细胞凋亡,从而显示出优异的肿瘤治疗效果(图1)。此外,Au1Pd3合金纳米酶还表现出良好的体内安全性,因为它们具有肿瘤特异性细胞毒性和小于6nm的超小尺寸,有助于其通过肾脏清除并防止在体内长期积累。我们共同成功开发了具有SOD和MPO样活性的超小型AuPd合金纳米酶,以模拟中性粒细胞酶级联反应,以实现高效和安全的肿瘤催化治疗。

模拟中性粒细胞酶级联的超小型金属合金纳米酶,用于肿瘤催化治疗。

研究结论

本研究,我们通过合金化Au和Pd开发了具有SOD和MPO类活性的纳米酶,当Au和Pd的比例为1:3时,纳米酶表现出最高的级联活性,这归因于超氧阴离子的高d波段中心和吸附能,这是通过理论计算确定的。Au1Pd3合金纳米酶在雌性荷瘤小鼠中表现出优异的肿瘤治疗性能和安全性,其安全性归因于其超小尺寸引起的肿瘤特异性杀伤能力和肾脏清除能力。这项工作共同开发了超小的AuPd合金纳米酶,该纳米酶模拟中性粒细胞酶级联,用于催化治疗肿瘤。

参考资料:

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45668-3

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关键词:
纳米酶,肿瘤,合金,催化

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