近日，陸軍軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院全軍燒傷研究所羅高興所長(zhǎng)/鄧君教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院陳小元教授和浙江大學(xué)高分子系毛崢偉教授，在國(guó)際知名雜志Nature子刊《自然·通訊》（Nature Communications，IF=11.878）發(fā)表研究論文。該團(tuán)隊(duì)研制出一種簡(jiǎn)單、綠色、可大規(guī)模制備的超小Cu5.4O納米酶方法，該納米酶具有多種酶模擬性質(zhì)、廣譜且高效的活性氧清除能力，可廣泛用于治療活性氧相關(guān)炎癥疾病。
炎癥反應(yīng)與氧化應(yīng)激在疾病中的廣泛效應(yīng)及重要性
炎癥反應(yīng)是機(jī)體對(duì)于刺激的一種防御反應(yīng)，也是臨床常見(jiàn)的一個(gè)病理過(guò)程。急性炎癥以滲出性病變?yōu)橹?，一般伴有發(fā)熱、白細(xì)胞增多等全身反應(yīng)，而慢性炎癥則以增殖性變化為主。在此次新型冠狀病毒疫情中，“炎癥風(fēng)暴”現(xiàn)象得到了廣泛認(rèn)知?！把装Y風(fēng)暴”是人的免疫系統(tǒng)針對(duì)外界病毒和感染以及一些藥物等過(guò)度反應(yīng)的現(xiàn)象。當(dāng)炎癥較嚴(yán)重時(shí)，心、肝、腎等器官可發(fā)生不同程度的變性、壞死和器官功能障礙。新冠肺炎感染者出現(xiàn)“炎癥風(fēng)暴”是從輕癥向重癥和危重癥轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是重癥和危重癥患者死亡的一個(gè)原因。除此之外，腫瘤也被認(rèn)為與炎癥反應(yīng)有著密不可分的關(guān)系。越來(lái)越多的研究表明腫瘤的生長(zhǎng)與免疫應(yīng)答、血管新生和轉(zhuǎn)移、炎癥浸潤(rùn)等息息相關(guān)。持續(xù)性非可控炎性微環(huán)境也會(huì)誘導(dǎo)基因突變從而導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。同時(shí)，目前普遍認(rèn)為與衰老有關(guān)的慢性病也與炎癥反應(yīng)有關(guān)，這種炎性反應(yīng)不同于臨床急性感染性炎癥，主要是由內(nèi)源性信號(hào)驅(qū)動(dòng)的慢性非感染性無(wú)菌性炎癥，被稱為炎性衰老。然而，目前對(duì)于非感染性炎癥反應(yīng)的治療并不完善，臨床治療集中在使用抗炎藥物（甾體類/非甾體類抗炎藥）對(duì)癥治療減輕炎癥反應(yīng)癥狀，缺乏有效的對(duì)因治療手段。發(fā)明廣譜、高效且安全的消除炎癥反應(yīng)的藥物對(duì)臨床治療以及健康壽命具有十分重要的意義。
已有研究表明，氧化應(yīng)激與許多急性和慢性炎癥疾病有關(guān)?；钚匝?reactive oxygen species , ROS)是體內(nèi)一類氧的單電子還原產(chǎn)物，包括超氧陰離子(O2-)、過(guò)氧化氫(H2O2)、羥基自由基(OH·)等。ROS作為正常代謝的副產(chǎn)物對(duì)機(jī)體的影響非常廣泛，會(huì)導(dǎo)致諸如DNA損傷、蛋白質(zhì)損傷等在內(nèi)的多種內(nèi)源性損傷。ROS的過(guò)量積聚導(dǎo)致細(xì)胞及組織損傷，從而引發(fā)炎癥反應(yīng)。同時(shí)，炎癥反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生大量ROS，進(jìn)一步加重局部組織損傷，甚至導(dǎo)致慢性炎癥。
清除炎癥部位過(guò)量的ROS、降低氧化應(yīng)激，有望治療炎癥。一項(xiàng)有前途的策略是開(kāi)發(fā)具有類酶催化活性的納米材料（即納米酶），以維持生物系統(tǒng)中的自然氧化還原平衡。納米酶可避免其它常規(guī)抗氧化劑分子或酶各自或共同的缺點(diǎn)，例如穩(wěn)定性差、成本高、只清除單一類型的ROS和不可再生的ROS清除能力。因此，開(kāi)發(fā)具有廣譜、高效ROS清除能力，體內(nèi)穩(wěn)定且生物相容性好的納米酶治療炎癥是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。
超小Cu5.4O納米酶的設(shè)計(jì)與制備
該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)人類必需的微量元素銅，在許多酶中起重要作用。受此啟發(fā)，他們將研究聚焦于制備銅基納米酶用于清除ROS。銅納米粒子在超小尺寸范圍內(nèi)對(duì)電子有強(qiáng)量子限制，所以能夠高效清除H2O2和O2–，但是它不能同時(shí)消除OH·。而氧化亞銅（Cu2O）納米顆?？梢源龠M(jìn)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，使H2O2或OH·失活,能部分模擬過(guò)氧化物酶。因此，該團(tuán)隊(duì)猜測(cè)可以通過(guò)將Cu2O和Cu納米晶體結(jié)合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更廣譜的酶催化性能和抗氧化活性。此外，由于Cu2O和Cu之間有效的電子-空穴分離，可大大提高Cu NPs上Cu2O涂層的穩(wěn)定性，這也有利于提高總體ROS清除能力。且希望做成超小尺寸，提高其類酶催化活性，且可以快速通過(guò)腎進(jìn)行代謝。
圖1 Cu5.4OUSNPs制備示意圖
(A)實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整Cu2+與L-抗壞血酸（AA）的比例、反應(yīng)溫度和時(shí)間，一步簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保合成了均勻分散的Cu5.4OUSNPs。(B)Cu5.4O USNPs的透射電鏡圖像，插圖為粒度分布統(tǒng)計(jì)圖。(C)Cu5.4O USNPs體內(nèi)清除活性氧原理模擬圖。
Cu5.4O超小納米粒子具備多種模擬酶性質(zhì)清除ROS
Cu5.4O超小納米酶如何準(zhǔn)確高效的消除ROS？首先科研人員排除了Cu5.4O 納米粒子表面涂層L-抗壞血酸的作用。通過(guò)體內(nèi)外酶活性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該納米粒子具有多種類酶如GPx、CAT和SOD性質(zhì)，可廣譜清除過(guò)量的ROS。相比于以前報(bào)道的納米抗氧化劑，Cu5.4O所需的工作劑量低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明其抗氧化功效更高。
進(jìn)一步評(píng)估Cu5.4O USNPs的體內(nèi)安全性。Cu5.4O USNPs治療后健康小鼠的血液生化指標(biāo)、炎癥細(xì)胞因子水平和主要器官組織病理學(xué)指標(biāo)均未發(fā)生顯著改變。進(jìn)一步表明，合成的Cu5.4O-USNPs具有可忽略的短期和長(zhǎng)期體內(nèi)毒性。
Cu5.4O超小納米酶對(duì)慢性創(chuàng)面修復(fù)及其臟器保護(hù)效果評(píng)價(jià)
我們選用對(duì)乙酰氨基酚（APAP）誘導(dǎo)的急性肝損傷（AILI）、糖尿病全層皮膚缺損、急性腎損傷作為ROS相關(guān)疾病的典型模型。均可以發(fā)現(xiàn)Cu5.4O超小納米酶在極低濃度下，對(duì)上述三種疾病均具有很好的效果，證明了我們材料對(duì)于炎癥治療的廣泛性。
此外，我們以急性腎損傷為模型代表，利用生物信息學(xué)手段預(yù)測(cè)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了，“納米機(jī)器人”通過(guò)清除過(guò)量的ROS，降低氧化應(yīng)激，抑制NF-κB信號(hào)，下調(diào)促炎因子如TNF-α, IL-1β,IL-6的分泌，減弱了對(duì)組織的損傷。
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本研究的創(chuàng)新性：Cu5.4O納米酶在極低劑量下對(duì)ROS介導(dǎo)的損傷具有保護(hù)作用，并顯著改善多種炎癥損傷如急性腎損傷、急性肝損傷和糖尿病創(chuàng)面愈合均具有很好的治療效果。同時(shí)，Cu5.4O納米酶的超小尺寸保障了它ROS清除能力的高效性，可到達(dá)任意器官，且可實(shí)現(xiàn)納米材料的快速腎臟清除，避免對(duì)正常組織的損害。
該文第一通訊單位為陸軍軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院全軍燒傷研究所，第一作者為燒傷研究所劉騰飛博士。
文章信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-16544-7
