Chem 報道: 可移動空心納米粒子作為活性氧清除劑

【背景介紹】

在生物有機體中，包含過氧化氫（H₂O₂）、羥基自由基（·OH）等的活性氧（ROS）處于正常水平時，在細胞信號傳導、病原體防御和體內平衡起著關鍵的作用。然而，大量的ROS會通過引起脂質過氧化、蛋白質變性和DNA損傷而對細胞產生不利影響。這些不良反應可能導致炎癥、癌癥等許多人類疾病。基于這些原因，目前已經研究了多種納米材料用于清除體內ROS，進而維持細胞內氧化還原平衡和保護身體免受氧化損傷。但是，大多數納米清除劑不具有可移動性，只能消除清除劑附近的ROS，而不能主動去清處其他位置的ROS，降低了其清除效率。目前主要是通過增加清除劑的用量來提高清除效率，但同時會增大對細胞的毒性。可見增加納米清除劑的劑量并不是最有效去除ROS的策略。因此，需要設計在需要的地方精確釋放ROS清除劑以提高藥物的利用率并最大限度地降低毒副作用。

【成果簡介】

近日，中科院北化所的王鐵研究員和北京化工大學的陳旭教授（共同通訊作者）聯合報道了利用負載氯化血紅素的介孔二氧化硅納米粒子（hemin-MSNs）作為可移動的納米粒子模型，用來清除細胞在氧化應激下內源性產生的ROS。其中，ROS是被氯化血紅素催化分解，其產生的化學能為hemin-MSNs在細胞內移動提供了動力。文中制備了三種類型的hemin-MSNs，分別是負載血紅素的固體介孔二氧化硅納米粒子（hemin-SMSNs）、負載氯化血紅素的厚壁介孔二氧化硅納米粒子（hemin-TMSNs）和負載氯化血紅素的窄壁介孔二氧化硅納米粒子（hemin-NMSNs），通過系統的評估這些納米材料的運動性能及其體外和體內抗氧化行為之間的關系。其中，Hemin-NMSNs在體外和體內均有優異的抗氧化效率。可移動的ROS清除劑降低了與高劑量血紅素潛在毒性相關的安全性問題。該策略既可以擴展用于ROS清除劑的各種中空納米顆粒的開發中，又可以用于調節ROS的清除效率和基于ROS的治療劑的廣泛應用中。研究成果以題為“Movable Hollow Nanoparticles as Reactive Oxygen Scavengers”發表在國際著名期刊Chem上。
本文亮點：

1、可移動的中空納米顆粒可以有效的去除細胞內ROS；

2、空心NPs的清除能力大于固體NPs和游離氯化血紅素；

3、可移動的中空納米復合物減輕了高劑量藥物的毒性；

4、該策略允許設計各種空心納米ROS清除劑，具有通用性。

【圖文解讀】

圖一、Hemin-MSNs的表征和運動行為

（A-C）TEM圖顯示hemin-SMSNs的平均直徑為約630 nm、hemin-TMSNs的殼厚度為150 nm和hemin-NMSNs的殼厚度為70 nm；

（D）具有代表性的跟蹤軌跡表明，不同殼厚的Hemin-MSNs的擴散增強；

（E）在30 mM H₂O₂存在下，hemin-MSNs的平均速度和擴散系數。

圖二、Hemin-MSNs運動的機制

（A）hemin-SMSNs和hemin-NMSNs與H₂O₂瞬時反應的熱通量圖；

（B）hemin-MSNs的運動機制示意圖；

（C）Hemin-MSNs的跟蹤軌跡和擴散系數與402 nm激光功率的函數關系示意圖。

圖三、Hemin-MSNs的ROS清除活性
（A）用H₂O₂對氯化血紅蛋白-MSNs進行穩態動力學測定；

（B-C）氯化物-MSNs對超氧自由基和羥基自由基的清除效率；

（D）各種ROS清除劑處理后的HUVEC細胞的熒光顯微圖；

（E）細胞內hemin-MSNs的可逆軌跡。

圖四、Hemin和Hemin-NMSNs的ROS清除活性
（A-B）hemin和hemin-NMSNs處理后，HUVEC細胞的熒光顯微圖；

（C）各種處理后，HUVEC細胞的熒光顯微照片中DCFH-DA的相應熒光強度，以及與hemin和hemin-NMSNs孵育后的細胞存活率；

（D）用不同材料處理后，具有PMA誘導的小鼠體內熒光圖像。

圖五、空心納米粒子清除ROS的通用性
（A-H）（A）170 nm hemin-SMSNs、（B）170 nm hemin-NMSNs、（C）hemin-SCSs、（D）hemin-HCSs、（E）hemin-MnO₂、（F）Pd納米顆粒、（G）AuPd納米粒子和（H）Pt納米粒子的TEM和作用于細胞后的熒光顯微圖。

【小結】

綜上所述，作者提出了一種自我驅動的ROS清除系統，并驗證了其在細胞和小鼠模型中具有優異的ROS清除性能。這些空心結構的平均速度比實心結構的平均速度高3.5倍。空心結構局部加熱導致顯著的非定向自主運動。此外，作者還評估了其他中空結構用于清除ROS和保護細胞免受氧化損傷的性能。總之，文中關于通過調節移動納米顆粒的平均速度來調節ROS去除效率的實驗結果，為設計基于納米材料的具有高催化活性的仿酶催化劑打開了大門，未來可以作為與氧化應激相關的臨床病癥治療劑。

文獻鏈接：Movable Hollow Nanoparticles as Reactive Oxygen Scavengers. (Chem, 2019, DOI: 10.1016/j.chempr.2019.05.023)

本文由CQR編譯。

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