暨南大學陳填烽/威斯康星大學蔡偉波Angewandte：納米硒手性藥物設計與抗氧化應用

手性是自然界的本質屬性之一，許多手性藥物的藥理作用是通過與體內大分子之間嚴格手性匹配與分子識別實現的。納米粒子具有獨特的尺寸和表面性質，被認為是擴大手性藥物合成方法和治療結果的理想平臺。此外，在納米粒子表面錨定手性分子可以使細胞表現出不同的手性偏好，從而提高手性藥物的細胞攝取率。盡管在手性納米材料的生物醫學應用中取得了一些進展，但手性納米顆粒在生物體內的分布、代謝和細胞抗氧化能力之間的聯系尚未得到完全確定。

暨南大學的陳填烽教授一直致力于納米化學創新藥物的功能設計與腫瘤診療應用研究（Sci Adv, 2020, eaay9751; Adv Funct Mater 2019, 1901240; ACS Nano, 2018, 12401; Biomaterials, 2020, 119545等），利用納米技術解決了微量元素硒在臨床應用上的瓶頸。在前期納米硒功能設計與疾病治療應用的工作基礎上，為了闡明手性在納米硒發揮生物活性上的作用問題，陳填烽團隊與威斯康星大學麥迪遜分校的蔡偉波教授合作，設計了不同手性納米硒，利用無創性正電子發射斷層掃描（PET）顯像研究手性納米硒的分布及代謝特征，并深入探討了不同手性的納米硒粒子對棕櫚酸引起的胰島細胞氧化損傷的預防保護作用差異，以及帶來這種差異的分子機制。

該論文 “Chirality-driven transportation and oxidation prevention by chiral selenium nanoparticles”近日在國際頂尖期刊《Angewandte Chemie International Edition》上以Frontispiece發表（Angew. Chem. Int. Ed. 2020,59, 4406-4414），暨南大學黃妍瑜副研究員、碩士研究生傅元婷為共同第一作者，暨南大學陳填烽教授、威斯康星大學麥迪遜分校蔡偉波教授為通訊作者。研究工作獲得了獲得萬人計劃、國家863計劃、國家自然科學基金項目等項目的資助。

【本文要點】

要點1

硒是生命有機體的必需元素，硒的生物利用度、毒性和生物學特性的主要決定因素在于其化學形式，氧化還原狀態和劑量。在本文中，作者以零價態納米硒作為研究載體，在其表面分別添加_L-, _D- 或者_DL-谷胱甘肽（GSH），賦予其不同的手性特征。透射電子顯微鏡數據顯示，_L-，_D-和_DL-G@SeNPs的平均尺寸為130 nm左右。圓二色譜表明，_D-G@SeNPs和_L-G@SeNPs在UV區域顯示垂直鏡像的CD峰，說明_L-G@SeNPs和_D-G@SeNPs具有手性特征。此外，作者用X射線光電子能譜鑒定了手性G@SeNPs的化學結構（圖1）。

圖1. 手性G@SeNPs的設計、形態和化學表征。

靜脈內注射納米顆粒通過兩種主要途徑從體內清除：肝膽清除和腎臟清除。為了鑒定具有不同手性的納米顆粒是否表現出獨特的生物分布特性，作者對藥物注射后的Balb/c健康小鼠進行了PET成像。在此之前，作者用⁶⁴Cu對不同手性的納米粒子進行放射性標記。PET成像圖清晰地顯示⁶⁴Cu-_L-G@SeNPs主要聚集在肝臟和腸中，而⁶⁴Cu-_DL-G@SeNPs和⁶⁴Cu-_D-G@SeNPs則快速在腎臟累積。離體生物分布數據進一步證明了不同手性納米粒子在肝臟、脾臟，胰腺、腸和腎中的攝入量存在顯著差異（圖2）。

圖2.手性G@SeNPs在體內的PET成像。

要點二：手性納米硒的代謝形態分析

為了進一步了解⁶⁴Cu標記的手性G @ SeNPs的轉化和消除方式，作者分別通過Radio-TLC和LC-ICP-MS分析了小鼠尿液中的⁶⁴Cu態和硒形態。如圖S5所示，所有實驗組在尾靜脈注射4 h后收集的大部分尿液中充滿了從納米顆粒分離的⁶⁴Cu。此外，作者利用HPLC-ICP-MS對尿液中的總硒和主要硒種類（SeCys，SeMeCys，SeMet，Selenite）進行了定量。數據顯示，在各組尿液中均檢測到SeCys和亞硒酸鹽，這表明手性SeNPs可以轉化為SeCys和亞硒酸鹽。此外，作者發現尿液中還可能存在其他未檢測到的硒種類，比如零價態納米硒。尿液的TEM圖像清楚地表明存在被降解的納米顆粒（圖S8）。這些結果表明，經過肝臟/腎臟清除的手性SeNPs可能會降解成較小的納米粒子和其他Se代謝產物（包括硒代胱氨酸和亞硒酸鹽），并最終排入尿液。

要點三：_L-G@SeNPs具有更強的抗氧化效果

作者在熒光顯微鏡下觀察了手性納米粒子對INS-1E細胞膜上的黏附作用。細胞熒光照片、3D圖像及皮爾遜相關系數等數據均顯示，_L-G@SeNPs比D和DL型納米粒子對INS-1E細胞膜粘附性更高，從而促進了INS-1E細胞對L型納米粒子的攝取作用。利用_L-GSH和_L-磷脂膜之間的同源粘附作用，它更有效地減弱了棕櫚酸引起的活性氧含量和線粒體斷裂程度，從而阻止了棕櫚酸引起的INS-1細胞氧化損傷（圖3）。

圖3. 手性G@SeNPs在INS-1E細胞中的定位和細胞攝取。

總體而言，作者揭示了納米系統的手性影響了其在肝臟，腸道和腎臟中的分布途徑及定位速度。_L-G @ SeNPs在肝臟，脾臟和胰臟中表現出優先積累，而DL和D型納米粒子則逃避了肝臟的吸收，并經歷了更快的腎臟清除。利用同源細胞粘附和攝取的優勢，_L-G@SeNPs更傾向于和細胞膜（含有L型磷脂分子）的相互作用來攝取納米粒子，從而更有效防止了棕櫚酸對胰島細胞引起的氧化損傷，這符合自然選擇的模式。

論文地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201910615

作者介紹：

陳填烽，現任暨南大學教授，一直致力于納米化學創新藥物的功能設計與腫瘤診療應用研究，獲得萬人計劃青年拔尖人才項目、國家863計劃、國家自然科學基金項目等多個項目的資助。近五年以通訊作者在Science Advances、Adv Funct Mater、Angew Chem Int Ed及ACS Nano等本領域主流雜志發表關于硒的研究論文超過200篇，封面論文32篇，h-index 54，申報中國專利50項，PCT專利2項，授權美國專利1項，實現技術成果轉化8項。以第一完成人獲得2018年中華醫學科技獎青年科技獎、2018年廣東省自然科學二等獎、2017廣東省科技獎、2017中國產學研創新獎等科技獎勵，推動了硒在生物醫藥與腫瘤精準診療領域的應用與發展。

蔡偉波，美國威斯康星大學麥迪遜分校放射學系、醫學物理學系、生物醫學工程系、材料科學與工程系及藥學系Vilas杰出成就教授。主要從事分子影像及生物納米科技的研究。在包括Nat Nanotechnol, CSR, ACR, PNAS, AM, ACIE, ACS Nano 等雜志發表論文300余篇(引用>20000次，H-index 80。獲得了歐洲核醫學學會斯普林格獎（2011 & 2013），美國癌癥學會研究學者獎（2013-2017），美國醫學與生物工程院（AIMBE）會士 (2018) 等獎項。