I en färsk rapport, Yufeng Liu och ett team av tvärvetenskapliga forskare i Kina utvecklade en integrerad nanozymkaskad för att eliminera överskott av reaktiva syrearter (ROS; fria syreradikaler). Nanozymet efterliknade superoxiddismutas (en grupp enzymer) och inkorporerade ett mangan (Mn)-baserat metallorganiskt ramverk (MOF) för att omvandla syreradikaler till väteperoxid (H) ₂ O ₂ ). Med hjälp av laboratorie- och in vivo-experiment, teamet visade ROS-rensande potentialen hos integrerade kaskad-nanozymer. Som proof of concept, de lindrade två former av inflammatorisk tarmsjukdom (IBD) – ulcerös kolit och Crohns sjukdom med hjälp av kaskadnanozymer som effektiva behandlingar. Studien gav en ny metod för att konstruera enzymliknande kaskadsystem och illustrera löftet om deras effektiva terapi för att behandla IBD in vivo. Verket är nu publicerat på Vetenskapens framsteg .

Under kaskadkatalytiska reaktioner som inträffar i levande organismer, flera enzymer kombineras inuti subcellulära fack för korrekt signalöverföring och effektiv metabolism. Sådana begränsade kaskadreaktioner är fördelaktiga jämfört med konventionella flerstegsreaktioner på grund av minskade diffusionsbarriärer och förbättrade lokala koncentrationer av intermediärer för förbättrad atomekonomi och reaktioner totalt. Forskare har gjort betydande ansträngningar för att efterlikna sådana kaskadsystem på ställningar, men deras höga kostnad och låga stabilitet har begränsade breda praktiska tillämpningar. Som ett resultat, forskare har utforskat enzymhärmar för att förstå och konstruera kaskadreaktioner i labbet. I det här arbetet, Liu et al. detaljerade ett enkomponents nanozymbaserat kaskadreaktionssystem med hög aktivitet och visade deras roll under in vivo-terapin av reaktiva syrearter (ROS)-associerad inflammatorisk tarmsjukdom (IBD).

Design, syntes och karakterisering av enzymställningen

Teamet designade och syntetiserade ett integrerat superoxiddismutas (SOD) och katalas (CAT) mimetiskt kaskad-nanozym och betecknade det som Pt@PCN222-Mn. För att bygga ställningen, de introducerade en SOD-liknande del av mangan (Mn) (III) porfyrin och en CAT-liknande platinananopartikel inom en nanoskala zirkonium (Zr)-baserad metallorganisk ram (MOF) som heter PCN222. Den integrerade konstruktionen (Pt@PCN222-Mn) visade förbättrad ROS-rensande aktivitet för att skydda möss från ROS-relaterad IBD, en obotlig kronisk sjukdom ännu, och därigenom att bredda potentialen för kaskad-nanozymer för biomedicinska tillämpningar in vivo.

Under experimenten, Liu et al. bekräftade den framgångsrika syntesen av de preliminära manganbaserade konstruktionerna med hjälp av kärnmagnetisk resonans, Fouriertransform infraröd spektroskopi och ultraviolett synliga spektroskopiska mätningar. Teamet syntetiserade komponenten som innehöll en MOF i nanoskala och bekräftade dess bildande med transmissionselektronmikroskopi (TEM) och svepelektronmikroskopi (SEM). Forskarna utvecklade sedan tre kaskad-nanozymer och kallade dem Pt@PCN222-Mn-1, Pt@PCN222-Mn-3 och Pt@PCN222-Mn-5, respektive. Av dessa, Pt@PCN222-Mn-5 hade en högre yta jämfört med andra anti-ROS nanozymer som hittills undersökts.

Undersöker den katalytiska aktiviteten hos kaskadnanozymer

Rensning av syreradikaler ( ^• O ₂ ⁻ ) är det första steget i anti-ROS-kaskadreaktionen, Därför undersökte teamet den katalytiska aktiviteten hos de syntetiska konstruktionerna för att övervaka deras förmåga att på liknande sätt eliminera syreradikaler. Arbetet belyste nyckelrollen för mangan i porfyrin för att efterlikna superoxiddismutas (SOD)-liknande aktiviteter hos de olika enzymkonstruktionerna, där Pt@PCN222-Mn-5-konstruktioner visade den högsta SOD-liknande aktiviteten bland enzymhärmare. Teamet bekräftade resultaten med hjälp av elektron paramagnetisk resonans (EPR) spektroskopi.

Som ett andra avgörande steg i den ROS-renande kaskaden i biologiska miljöer, CAT (katalas) enzymet katalyserade nedbrytningen av väteperoxid (H ₂ O ₂ ) till vatten och syre. Liu et al. övervakade därför nanozymens CAT-liknande aktiviteter genom att övervaka syre som genereras från sönderfallande väteperoxid. Som förut, Pt@PCN222-Mn-5 visade den högsta CAT-liknande aktiviteten bland MOF-baserade enzymhärmare. Baserat på resultaten, Liu et al. bekräftade att den SOD-liknande aktiviteten härrör från den manganbundna delen av enzymkonstruktionen, medan integrerade platinananopartiklar var huvudsakligen ansvariga för den CAT-liknande aktiviteten.

Fokusenzym Pt@PCN222-Mn-5 och in vivo antiinflammatorisk terapi

För att fullt ut förstå aktiviteten hos kaskad-nanozymet Pt@PCN222-Mn-5, teamet undersökte dess synergistiska SOD-liknande och CAT-liknande enzymatiska aktivitet och observerade uttalade synergistiska effekter för den senare. Teamet valde nanozymet för ytterligare undersökningar och testade dess funktionalitet med en cellinje under cytotoxicitetsstudier. Vid en koncentration under 80 µg/ml, nanozymet visade ingen cytotoxicitet och visade utmärkt reaktiva syrearter scanning potential.

Baserat på de experimentella resultaten, Liu et al. genomfört in vivo-terapier för att behandla ulcerös kolit (UC) och Crohns sjukdom (CD) i musmodeller av sjukdomen. Eftersom UC är en form av inflammatorisk tarmsjukdom som vanligtvis åtföljs av överproducerade reaktiva syrearter, forskarna testade de terapeutiska effekterna av Pt@PCN222-Mn-5 tillsammans med befintlig medicin för IBD-behandling. Teamet administrerade behandlingen via intraperitoneal injektion till varje mus och observerade framgångsrika terapeutiska effekter av Pt@PCN222-Mn-5 för att lindra UC-sjukdomstillståndet hos möss. Teamet optimerade doserna av kaskadnanozymet med hjälp av flera behandlingsgrupper och fann att fokusenzymet av intresse var det mest fördelaktiga. När de på liknande sätt utforskade CD, en annan typ av IBD som använder en sjukdomsinducerad musmodell, behandlingsstrategin indikerade större effektivitet för kaskad-nanozymer jämfört med traditionella småmolekylära läkemedel som används vid IBD-behandling.

På det här sättet, Yufeng Liu och kollegor utvecklade ett integrerat nanozym för att katalysera kaskadreaktioner och eliminera reaktiva syrearter (ROS). Det integrerade nanozymet hade två rumsligt separerade aktiva platser för att efterlikna superoxiddismutas (SOD) och katalas (CAT). Med hjälp av laboratorieexperiment visade de den enastående ROS-renande aktiviteten hos kaskadnanozymet, deras utmärkta biokompatibilitet och goda vattendispergerbarhet. Teamet etablerade en inflammatorisk djurmodell för att testa anti-ROS-kapaciteten hos kaskadnanozymet i en biologisk organism och bestämde deras överlägsna terapeutiska potential mot både ulcerös kolit (UC) och Crohns sjukdom (CD) modeller av inflammatorisk tarmsjukdom (IBD). Teamet optimerade koncentrationen av nanozymet för att uppnå effektiv lindring av IBD i djurmodeller. Arbetet visade utmärkta ROS-rensande aktiviteter för inflammatorisk behandling och ger en lovande metod för att konstruera nanozymer med flera aktiva platser för ytterligare tillämpningar inom biomedicin.

© 2020 Science X Network