中科院長春應化所曲曉剛研究員ACS Nano: 二維金屬有機骨架/酶雜化納米催化劑作為良性、自激活級聯試劑用于體內傷口愈合
【引言】
金屬有機骨架（MOF）作為一種新興的多孔材料已經獲得引起了廣泛的研究興趣，其具有高度有序的孔結構、大的表面積以及可調節的結構和功能。最近，通過引入銅或鐵作為金屬節點或使用鐵-卟啉結構作為有機配體MOF已被證明展現出良好的過氧化物酶樣活性。此外，通過將二維MOF納米片與Au納米顆粒結合也成功構建出有潛力的仿生催化劑，其中Au納米顆粒具有葡萄糖氧化酶類似活性而二維 MOF納米片具有過氧化物酶樣活性。盡管具有過氧化物酶樣活性的MOF已經獲得了廣泛的研究，目前該領域研究還主要集中在體外催化和生物傳感上，很少應用于生物醫學領域，尤其是體內。其中一個主要的原因是最佳的酶樣活性需要pH值為3-4的強酸性環境，這限制了它們在生物系統（通常需要中性pH環境）中的實際應用。此外，引入有毒和相對高濃度的H2O2會對正常組織帶來損害。
【成果簡介】
近日，中科院長春應化所曲曉剛研究員課題組選擇超薄二維MOF納米片作為過氧化物酶模擬物的模型以物理吸附葡萄糖氧化酶（GOx）以制造雜化納米催化劑作為良性、自激活級聯試劑，其中GOx可以將無毒葡萄糖連續轉化為豐富的葡萄糖酸和H2O2，避免直接使用相對高濃度和有毒的H2O2，并盡量減少有害的副作用。產生的葡萄糖酸可以將pH值從7降低至3-4，從而顯著激活二維 MOF納米片的過氧化物酶樣活性。而且體外和體內結果表明，設計的良性、自激活級聯試劑具有強大的抗菌作用和可忽略的生物毒性。該成果以題為" Two-Dimensional Metal?Organic Framework/Enzyme Hybrid Nanocatalyst as a Benign and Self-Activated Cascade Reagent for in Vivo Wound Healing "發表在國際著名期刊ACS Nano上。
【圖文導讀】
圖1 2D MOF/GOx雜化納米催化劑作為良性、自激活級聯試劑的設計和抗菌機理
(a) 2D MOF/GOx雜化納米催化劑的組成；
(b) 用于小鼠傷口愈合的2D MOF/GOx急救包扎繃帶；
(c) 2D MOF/GOx雜化納米催化劑作為良性、自激活級聯試劑的抗菌機理。
圖2 2D MOF納米片及2D MOF/GOx的表征
(a) 2D MOF納米片的TEM圖像；
(b) 2D MOF納米片的AFM圖像和厚度分布；
(c) 典型2D MOF納米片的暗場TEM圖像以及Cu K-edge、Fe K-edge、C K-edge、 N K-edge和O K-edge信號對應的TEM元素mapping圖像；
(d) 2D MOF/GOx的TEM圖像；
(e) 2D MOF納米片的水分散圖像；
(f) 2D MOF/GOx的水分散圖像。
圖3 PBS緩沖液中不同反應體系的表征
(a) 在PBS緩沖液中孵化4小時后，在TMB存在下不同反應體系的紫外-可見光譜和照片；
(b) 在PBS緩沖液中孵化4小時后，在甲基紅存在下不同反應體系的照片；
(c) 反應12小時后，PBS緩沖液中不同反應體系的熒光光譜；
(d) 在PBS緩沖液（pH = 7.4, 0.5mM）或PBS緩沖液（pH = 7.4, 25mM）中由2D MOF/GOx催化的TMB反應溶液每30分鐘在652 nm處的時間依賴的吸光度變化；
(e) 在PBS緩沖液（pH = 7.4, 0.5mM）中的上述反應體系的照片；
(f) 加入0.001%甲基紅后，在PBS緩沖液（pH = 7.4, 0.5mM）中的上述反應體系的照片。
圖4 大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的存活率比較
(a) 大腸桿菌的生存力分析；
(b) 金黃色葡萄球菌的生存力分析；
(c) 大腸桿菌的SEM圖像；
(d) 金黃色葡萄球菌的SEM圖像；
(e) 用不同濃度的H2O2或葡萄糖+ 2D MOF/GOx處理的大腸桿菌的存活率比較；
(f) 用不同濃度的H2O2或葡萄糖+ 2D MOF/GOx處理的金黃色葡萄球菌的存活率比較。
圖5 金黃色葡萄球菌感染小鼠傷口及組織切片照片
(a) 不同時間下金黃色葡萄球菌感染小鼠傷口的照片；
(b) 從傷口組織獲得的細菌菌落的照片；
(c) 對傷口中存活的細菌進行定量；
(d) 相應的H&E染色的傷口組織切片。
圖6 2D MOF/GOx處理小鼠的表征
(a) 靜脈注射2D MOF/GOx或作為對照的PBS時，健康小鼠的血液生化分析；
(b) 用2D MOF/GOx處理的小鼠的體重；
(c) 注射7天后，2D MOF/GOx處理的小鼠心臟、肝臟、脾臟、肺和腎等主要器官切片的H&E染色照片。
【小結】
本文中，作者開發了一種基于MOF的雜化納米催化劑作為用于體內傷口愈合的良性和自激活級聯試劑。研究發現，雜化納米催化劑中的GOx可以有效地將葡萄糖轉化為葡萄糖酸以自激活2D MOF納米片的過氧化物酶活性，同時產生的H2O2可用于隨后的2D MOF納米片催化，從而增強?OH的產生效率和抗菌能力。該體系利用天然無毒和生物相容的葡萄糖連續產生H2O2，根本上避免了直接使用相對高濃度和毒性的H2O2，并盡量減少有害的副作用。更重要的是，體外和體內結果表明，這種良性和自激活級聯試劑具有強大的抗菌作用和可忽略的生物毒性。該工作將促進MOF基納米酶的研究及其在生物化學和生物醫學領域的應用。
文獻鏈接：Two-Dimensional Metal?Organic Framework/Enzyme Hybrid Nanocatalyst as a Benign and Self-Activated Cascade Reagent for in Vivo Wound Healing??(ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b09501)
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