Nat. Commun.：减轻炎症反应的超小Cu5.4O纳米酶

近日，陆军军医大学西南医院全军烧伤研究所罗高兴所长/邓君教授团队，联合美国国立卫生研究院陈小元教授和浙江大学高分子系毛峥伟教授，在国际知名杂志Nature Communications（IF =1 1.878）上发表研究论文，报道了一种简单、绿色、可大规模制备的超小Cu_5.4O纳米酶方法，该纳米酶具有多种酶模拟性质、广谱且高效的活性氧清除能力，可广泛用于治疗活性氧相关炎症疾病。

炎症反应与氧化应激在疾病中的广泛效应及重要性

炎症反应是机体对于刺激的一种防御反应，也是临床常见的一个病理过程。急性炎症以渗出性病变为主，一般伴有发热、白细胞增多等全身反应，而慢性炎症则以增殖性变化为主。在此次新型冠状病毒疫情中，“炎症风暴”现象得到了广泛认知。“炎症风暴”是人的免疫系统针对外界病毒和感染以及一些药物等过度反应的现象。当炎症较严重时，心、肝、肾等器官可发生不同程度的变性、坏死和器官功能障碍。新冠肺炎感染者出现“炎症风暴”是从轻症向重症和危重症转换的一个重要节点，同时也是重症和危重症患者死亡的一个原因。除此之外，肿瘤也被认为与炎症反应有着密不可分的关系。越来越多的研究表明肿瘤的生长与免疫应答、血管新生和转移、炎症浸润等息息相关。持续性非可控炎性微环境也会诱导基因突变从而导致肿瘤发生。同时，目前普遍认为与衰老有关的慢性病也与炎症反应有关，这种炎性反应不同于临床急性感染性炎症，主要是由内源性信号驱动的慢性非感染性无菌性炎症，被称为炎性衰老。然而，目前对于非感染性炎症反应的治疗并不完善，临床治疗集中在使用抗炎药物（甾体类/非甾体类抗炎药）对症治疗减轻炎症反应症状，缺乏有效的对因治疗手段。发明广谱、高效且安全的消除炎症反应的药物对临床治疗以及健康寿命具有十分重要的意义。

已有研究表明，氧化应激与许多急性和慢性炎症疾病有关。活性氧 (reactive oxygen species , ROS) 是体内一类氧的单电子还原产物，包括超氧阴离子 (O₂^-)、过氧化氢 (H₂O₂)、羟基自由基 (OH•) 等。ROS作为正常代谢的副产物对机体的影响非常广泛，会导致诸如DNA损伤、蛋白质损伤等在内的多种内源性损伤。ROS的过量积聚导致细胞及组织损伤，从而引发炎症反应。同时，炎症反应也会产生大量ROS，进一步加重局部组织损伤，甚至导致慢性炎症。

清除炎症部位过量的ROS、降低氧化应激，有望治疗炎症。一项有前途的策略是开发具有类酶催化活性的纳米材料（即纳米酶），以维持生物系统中的自然氧化还原平衡。纳米酶可避免其它常规抗氧化剂分子或酶各自或共同的缺点，例如稳定性差、成本高、只清除单一类型的ROS和不可再生的ROS清除能力。因此，开发具有广谱、高效ROS清除能力，体内稳定且生物相容性好的纳米酶治疗炎症是当今的研究热点。

超小Cu_5.4O纳米酶的设计与制备

该团队发现人类必需的微量元素铜在许多酶中起重要作用。受此启发，他们将研究聚焦于制备铜基纳米酶用于清除ROS。铜纳米粒子在超小尺寸范围内对电子有强量子限制，所以能够高效清除H₂O₂和O₂^-，但是它不能同时消除OH•。而氧化亚铜（Cu₂O）纳米颗粒可以促进电子转移反应，使H₂O₂或OH•失活,能部分模拟过氧化物酶。因此，该团队猜测可以通过将Cu₂O和Cu纳米晶体结合，同时实现更广谱的酶催化性能和抗氧化活性。此外，由于Cu₂O和Cu之间有效的电子-空穴分离，可大大提高Cu NPs上Cu₂O涂层的稳定性，这也有利于提高总体ROS清除能力。且希望做成超小尺寸，提高其类酶催化活性，且可以快速通过肾进行代谢。

图1 Cu_5.4O USNPs制备示意图。(A)实验中通过调整Cu²⁺与L-抗坏血酸（AA）的比例、反应温度和时间，一步简单、绿色环保合成了均匀分散的Cu_5.4O USNPs。(B) Cu_5.4O USNPs的透射电镜图像，插图为粒度分布统计图。(C)Cu_5.4O USNPs体内清除活性氧原理模拟图。

Cu_5.4O超小纳米粒子具备多种模拟酶性质清除ROS

Cu_5.4O超小纳米酶如何准确高效的消除ROS？首先科研人员排除了Cu_5.4O 纳米粒子表面涂层L-抗坏血酸的作用。通过体内外酶活性实验发现，该纳米粒子具有多种类酶如GPx、CAT和SOD性质，可广谱清除过量的ROS。相比于以前报道的纳米抗氧化剂，Cu_5.4O所需的工作剂量低2-3个数量级，说明其抗氧化功效更高。

进一步评估Cu_5.4O USNPs的体内安全性。Cu_5.4O USNPs治疗后健康小鼠的血液生化指标、炎症细胞因子水平和主要器官组织病理学指标均未发生显著改变。进一步表明，合成的Cu_5.4O-USNPs具有可忽略的短期和长期体内毒性。

Cu_5.4O超小纳米酶对慢性创面修复及其脏器保护效果评价

研究者选用对乙酰氨基酚（APAP）诱导的急性肝损伤（AILI）、糖尿病全层皮肤缺损、急性肾损伤作为ROS相关疾病的典型模型。均可以发现Cu_5.4O超小纳米酶在极低浓度下，对上述三种疾病均具有很好的效果，证明了该材料对于炎症治疗的广泛性。

图2 Cu_5.4O USNPs具有广泛的活性氧相关疾病治疗作用。(A) Cu_5.4O USNPs对急性肾损伤、急性肝损伤和糖尿病创面愈合等广泛的活性氧相关疾病具有治疗作用。(B)各组肝组织H&E染色，蓝色虚线表示肝坏死范围。(C)不同时间点糖尿病伤口创面。拍摄时，使用直径为6 mm的标准绿色光盘作为参考。(D)术后第15天，选具有代表性的组织学图像，定量测定再生表皮的长度和肉芽组织厚度。

此外，该团队以急性肾损伤为模型代表，利用生物信息学手段预测并通过实验验证了，“纳米机器人”通过清除过量的ROS，降低氧化应激，抑制NF-κB信号，下调促炎因子如TNF-α、IL-1β、IL-6的分泌，减弱了对组织的损伤。

图3 RNA-Seq及生物信息学分析结果。(A)差异表达基因的KEGG信号通路富集分析，显示了20条富集最显著的信号通路。(B)氧化应激相关差异表达基因的蛋白质-蛋白质相互作用网络。

本研究的创新性：Cu_5.4O纳米酶在极低剂量下对ROS介导的损伤具有保护作用，并显著改善多种炎症损伤如急性肾损伤、急性肝损伤和糖尿病创面愈合均具有很好的治疗效果。同时，Cu_5.4O纳米酶的超小尺寸保障了它ROS清除能力的高效性，可到达任意器官，且可实现纳米材料的快速肾脏清除，避免对正常组织的损害。

该文第一通讯单位为陆军军医大学西南医院全军烧伤研究所，第一作者为烧伤研究所刘腾飞博士。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ultrasmall copper-based nanoparticles for reactive oxygen species scavenging and alleviation of inflammation related diseases

Tengfei Liu, Bowen Xiao, Fei Xiang, Jianglin Tan, Zhuo Chen, Xiaorong Zhang, Chengzhou Wu, Zhengwei Mao, Gaoxing Luo, Xiaoyuan Chen, Jun Deng

Nat. Commun., 2020, 11, 2788. DOI: 10.1038/s41467-020-16544-7