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金属有机框架纳米酶MIL-47(V)的类谷胱甘肽过氧化物酶活性的调控研究及抗炎应用

研究背景

生物体在正常生理代谢过程中会产生一些含氧并且性质活泼的物质,如超氧化物、H2O2等,这些物质被统称为活性氧(ROS)。在正常生理条件下,活性氧的产生与清除处于平衡状态;但在病理条件下,活性氧产生与清除的失衡会加剧炎性疾病恶化。在众多活性氧中,H2O2至关重要。它不仅寿命长,易在脂质膜上扩散与转移,还可产生高度破坏性的羟基自由基。

生物体内天然存在的谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,简称GPx)可以通过催化谷胱甘肽(GSH)将过量的H2O2转化为H2O,降低其对生物体的损伤,因而在众多疾病治疗的研究中得到了广泛关注。但GPx与诸多天然酶一样,受其本身蛋白质结构的影响,在实际应用中存在稳定性差、可用性差等缺点,限制了其进一步发展。

纳米模拟酶(Nanozyme,简称纳米酶)是一类具有类酶特性的纳米材料。在目前众多天然酶模拟物中,纳米酶以其独特的高比表面积、低成本、丰富的表面化学形貌等优势获得了广泛的关注,与其相关的应用研究也日渐增多。然而,现有应用中尚未报道仅利用类GPx纳米酶用于治疗的研究。究其原因是,在现有纳米酶研究中,仅有几种材料被报道具有类GPx酶活性,且其活性一般,因而需要与其他抗氧化剂联合用于治疗。因此,探索开发新型高性能的类GPx纳米酶并将其用于生物医学治疗有深远的临床意义。


研究内容

近年来,金属有机框架(MOF)在模拟水解酶、过氧化物酶等方面的积极探索为相关领域众多研究者提供了新思路。受此启发,本研究利用与金属蛋白酶具有相似金属-配体相配位的MOF结构,通过改变配体从而制备出一系列具有类GPx活性的MOF纳米酶,并将其用于老鼠耳朵炎症和肠炎的治疗研究。如图1所示,选取莱瓦希尔框架材料(MILs),通过在1,4-苯二甲酸(BDC)配体中引入FBrNH2CH3OH的取代,从而调控MIL-47(V)-X的类GPx活性,并将其进一步用于体内抗炎治疗。

1构建类GPxMIL-47(V)-X MOF纳米酶用于抗炎治疗的示意图。金属钒与一系列取代的对苯二甲酸配位形成具有类GPx活性的MIL-47(V)-X MOFs (X = FBrNH2CH3OHH)。其中,MIL-47(V)-NH2具有最优异的类GPx活性,并被用于进一步的抗炎治疗研究。其优异的抗氧化能力可有效减轻耳朵炎症和肠炎模型中的炎症反应。


MIL-47(V)-X利用微波方法合成,并通过PXRD表征确认其成功制备后(图2A),通过监测烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)在340nm处吸光度变化,研究了它们的类GPx活性(图2B)。如图2C2D中结果显示,每一种MIL-47(V)-X都表现出类GPx活性,且MIL-47(V)-NH2显示最高活性。


2(A) MIL-47(V)-XPXRD表征。(B)GPxMIL-47(V)-X MOF纳米酶与谷胱甘肽还原酶偶联催化的反应示意图(GRPDB ID:3GRS)(C)在室温下,在含有2 mM谷胱甘肽、0.4 mM过氧化氢和0.4 mM NADPH50 mM磷酸盐缓冲液(pH = 7.4)条件下,监测340 nm (A340 nm)吸光度随时间的变化,用于表征MIL-47(V)-X MOFs的类GPx催化活性。(D) MIL-47(V)-X的类GPx活性的柱状图比较。空白实验是指在没有MOF的情况下。


基于上述结果以及对底物和催化剂浓度对反应动力学等影响的研究,选择205080µg mL-1MIL-47(V)-NH2 MOF纳米酶用于进一步体内、外研究。

在研究MIL-47(V)-NH2 MOF纳米酶的潜在生物应用之前,首先进行体外实验评估其细胞保护作用和体外ROS清除能力(图3A)。首先,进行细胞毒性实验以评估MIL-47(V)-NH2 MOF纳米酶的生物相容性(图3B)。然后,研究了MIL-47(V)-NH2 MOF纳米酶对H2O2诱导的氧化应激的细胞保护能力(图3C)。结果表明,MIL-47(V)-NH2 MOF纳米酶不仅具有良好的生物相容性,还是一种有效的ROS清除剂,可保护细胞免受氧化损伤。

3:(A细胞保护示意图。(B)不同浓度MIL-47(V)-NH2 MOF下的细胞存活率。(C)MIL-47(V)-NH2 MOF的细胞保护能力。(D)不同处理下细胞的荧光显微图像。


受到体外实验结果的激励,分别用佛波醇12-肉豆蔻酸13-乙酸酯(PMA)诱导的小鼠耳炎模型和葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的肠炎模型评估了MIL-47(V)-NH2 MOF纳米酶的体内抗炎效果。小鼠耳炎模型实验中,将不同浓度的MIL-47(V)-NH2 MOF皮下注射到发炎的耳朵进行治疗后观察到了活性氧探针DCFH-DA荧光的减少以及耳组织的炎症减轻(图4);在小鼠肠炎模型实验中,在用MIL-47(V)-NH2 MOF治疗后,小鼠体重逐渐恢复并且观察到炎性细胞因子 IL-1β(图5E)和TNF-α(图5F)的显著下调。在耳炎症模型与肠炎模型中,MIL-47(V)-NH2与活性较低的MIL-47(V)-H纳米酶相比均具有更优异的抗炎效果。同时,治疗中均未发现小鼠心脏、肺、肝脏、脾和肾等其他器官明显损伤。以上结果证明了MIL-47(V)-NH2 MOF纳米酶具有有效缓解炎症的性能,表明其作为一种有效纳米药物用于抗炎治疗的潜力。

4(A)耳部炎症模型示意图。(B)不同处理后耳炎症小鼠的活体荧光成像。(C)不同处理后的右耳组织H&E染色图像。


5(A)肠炎模型的建立和治疗程序示意图。(B)不同治疗下的每日体重记录。(C)10天拍摄的肠图像。(D)不同处理下肠组织的H&E染色图像。及不同处理下肠匀浆中(E)白介素-1β和(F)肿瘤坏死因子-α的水平。


总结与展望

研究首次报道了具有类GPx活性的MOF纳米酶。通过将金属钒与取代的对苯二甲酸配位制备出一系列具有类GPx活性的MIL-47(V)-X (X = FBrNH2CH3OHH) MOF纳米酶。且以最优性能MIL-47(V)-NH2为例,证明了其在体外清除活性氧和保护细胞免受氧化损伤的功能。这一结果扩展到体内抗炎,进一步证明了类GPxMIL-47(V)-NH2纳米酶对耳部炎症和肠炎的广谱抗炎作用。同时,高活性MIL-47(V)-NH2的治疗效果优于低活性MIL-47(V)-H。上述研究结果不仅验证了类GPx的纳米酶可以单独应用于抗炎治疗,而且证明了传统的结构-活性关系概念可以应用于基于纳米酶的治疗设计。因此,该工作不仅拓展了仿生MOF的研究,且此类抗氧化纳米酶的开发丰富了目前纳米酶的研究,为纳米酶的设计及仿生研究提供了一种新策略。


原文:

Jiangjiexing Wu et al. Ligand-dependent activity engineering of glutathione peroxidase-mimicking MIL-47(V) metal–organic framework nanozyme for therapy, Angewandte Chemie International Edition(2020). DOI: 10.1002/anie.202010714; Angewandte Chemie (2020). 10.1002/ange.202010714.


撰稿:陈夕雯

校审:武江洁星

编辑:徐庚辰


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