Designer nanozymer til reaktive iltarter, der fjerner antiinflammatorisk terapi

I en nylig rapport, Yufeng Liu og et team af tværfaglige forskere i Kina udviklede en integreret nanozym-kaskade til at eliminere overskydende reaktive oxygenarter (ROS; oxygen-frie radikaler). Nanozymet efterlignede superoxiddismutase (en gruppe enzymer) og inkorporerede en mangan (Mn)-baseret metal-organisk ramme (MOF) for at omdanne iltradikaler til hydrogenperoxid (H) ₂ O ₂ ). Ved at bruge in-lab og in vivo eksperimenter, holdet viste ROS-opfangende potentiale af integrerede kaskade nanozymer. Som proof of concept, de lindrede to former for inflammatorisk tarmsygdom (IBD) - colitis ulcerosa og Crohns sygdom ved at bruge kaskade nanozymer som effektive behandlinger. Undersøgelsen gav en ny metode til at konstruere enzymlignende kaskadesystemer og illustrere løftet om deres effektive terapi til behandling af IBD in vivo. Værket er nu udgivet på Videnskabens fremskridt .

Under kaskadekatalytiske reaktioner, der forekommer i levende organismer, flere enzymer er kombineret inde i subcellulære rum for nøjagtig signaltransduktion og effektiv metabolisme. Sådanne begrænsede kaskadereaktioner er fordelagtige sammenlignet med konventionelle flertrinsreaktioner på grund af reducerede diffusionsbarrierer og forbedrede lokale koncentrationer af mellemprodukter for forbedret atomøkonomi og reaktioner i alt. Forskere har gjort en betydelig indsats for at efterligne sådanne kaskadesystemer på stilladser, men deres høje omkostninger og lave stabilitet har begrænsede brede praktiske anvendelser. Som resultat, forskere har udforsket enzymefterligninger for at forstå og konstruere kaskadereaktioner i laboratoriet. I dette arbejde, Liu et al. detaljerede et enkeltkomponent nanozym-baseret kaskadereaktionssystem med høj aktivitet og demonstrerede deres rolle under in vivo-terapien af ​​reaktive oxygenarter (ROS)-associeret inflammatorisk tarmsygdom (IBD).

Design, syntese og karakterisering af enzymstilladset

Holdet designede og syntetiserede et integreret superoxiddismutase (SOD) og katalase (CAT) mimetisk kaskade nanozym og betegnede det som Pt@PCN222-Mn. For at konstruere stilladset, de introducerede en SOD-lignende del af mangan (Mn) (III) porphyrin og en CAT-lignende platinnanopartikel i en nanoskala zirconium (Zr)-baseret metalorganisk ramme (MOF) ved navn PCN222. Den integrerede konstruktion (Pt@PCN222-Mn) viste forbedret ROS-opfangende aktivitet for at beskytte mus mod ROS-relateret IBD, en uhelbredelig kronisk sygdom endnu, og derved at udvide potentialet af kaskade nanozymer til in vivo biomedicinske anvendelser.

Under forsøgene, Liu et al. bekræftede den vellykkede syntese af de foreløbige manganbaserede konstruktioner ved hjælp af nuklear magnetisk resonans, Fourier transform infrarød spektroskopi og ultraviolet synlige spektroskopiske målinger. Holdet syntetiserede komponenten indeholdende en MOF i nanoskala og bekræftede dens dannelse med transmissionselektronmikroskopi (TEM) og scanningselektronmikroskopi (SEM). Forskerne udviklede derefter tre kaskade nanozymer og kaldte dem Pt@PCN222-Mn-1, Pt@PCN222-Mn-3 og Pt@PCN222-Mn-5, henholdsvis. Af disse, Pt@PCN222-Mn-5 havde et højere overfladeareal sammenlignet med andre anti-ROS nanozymer, der er undersøgt hidtil.

Undersøgelse af den katalytiske aktivitet af kaskadenanozymer

Opfangning af iltradikaler ( ^• O ₂ ⁻ ) er det indledende trin i anti-ROS-kaskadereaktionen, Derfor undersøgte holdet den katalytiske aktivitet af de syntetiske konstruktioner for at overvåge deres evne til på lignende måde at eliminere oxygenradikaler. Arbejdet fremhævede mangans nøglerolle i porphyrin til at efterligne superoxiddismutase (SOD)-lignende aktiviteter af de forskellige enzymkonstruktioner, hvor Pt@PCN222-Mn-5-konstruktioner udviste den højeste SOD-lignende aktivitet blandt enzymmimikerne. Holdet bekræftede resultaterne ved hjælp af elektron paramagnetisk resonans (EPR) spektroskopi.

Som et andet afgørende skridt i den ROS-opfangende kaskade i biologiske miljøer, CAT (catalase) enzymet katalyserede nedbrydningen af ​​hydrogenperoxid (H ₂ O ₂ ) til vand og oxygen. Liu et al. overvågede derfor de CAT-lignende aktiviteter af nanozymer ved at overvåge oxygen genereret fra nedbrydning af hydrogenperoxid. Som før, Pt@PCN222-Mn-5 viste den højeste CAT-lignende aktivitet blandt MOF-baserede enzymefterligninger. Baseret på resultaterne, Liu et al. bekræftede den SOD-lignende aktivitet som følge af den manganbundne del af enzymkonstruktionen, mens integrerede platinnanopartikler hovedsageligt var ansvarlige for den CAT-lignende aktivitet.

Fokus enzym Pt@PCN222-Mn-5 og in vivo antiinflammatorisk behandling

For fuldt ud at forstå aktiviteten af ​​kaskadenanozymet Pt@PCN222-Mn-5, holdet undersøgte dets synergistiske SOD-lignende og CAT-lignende enzymaktivitet og observerede udtalte synergistiske effekter for sidstnævnte. Holdet valgte nanozymet til yderligere undersøgelser og testede dets funktionalitet med en cellelinje under cytotoksicitetsundersøgelser. Ved en koncentration under 80 µg/ml, nanozymet udviste ingen cytotoksicitet og udviste fremragende reaktive oxygenarter scanning potentiale.

Baseret på forsøgsresultaterne, Liu et al. udført in vivo-terapier til behandling af colitis ulcerosa (UC) og Crohns sygdom (CD) i musemodeller af sygdommen. Da UC er en form for inflammatorisk tarmsygdom, der typisk er ledsaget af overproducerede reaktive oxygenarter, forskerne testede de terapeutiske virkninger af Pt@PCN222-Mn-5 sammen med eksisterende medicin til IBD-behandling. Holdet administrerede behandlingen via intraperitoneal injektion til hver mus og observerede vellykkede terapeutiske virkninger af Pt@PCN222-Mn-5 for at lindre UC-sygdomstilstanden hos mus. Holdet optimerede doserne af kaskadenanozymet ved hjælp af flere behandlingsgrupper og fandt, at fokusenzymet af interesse var det mest gunstige. Da de på samme måde udforskede cd'er, en anden type IBD ved hjælp af en sygdomsinduceret musemodel, behandlingsstrategien indikerede større effektivitet for kaskadenanozymer sammenlignet med traditionelle småmolekylære lægemidler, der anvendes i IBD-behandling.

På denne måde Yufeng Liu og kolleger udviklede et integreret nanozym til at katalysere kaskadereaktioner og eliminere reaktive oxygenarter (ROS). Det integrerede nanozym havde to rumligt adskilte aktive steder til at efterligne superoxiddismutase (SOD) og katalase (CAT). Ved hjælp af laboratorieeksperimenter viste de den fremragende ROS-fjernende aktivitet af kaskadenanozymet, deres fremragende biokompatibilitet og gode vandige dispergerbarhed. Holdet etablerede en inflammatorisk dyremodel for at teste kaskadenanozymets anti-ROS-kapacitet i en biologisk organisme og bestemte deres overlegne terapeutiske potentiale over for både ulcerøs colitis (UC) og Crohns sygdom (CD) modeller for inflammatorisk tarmsygdom (IBD). Holdet optimerede koncentrationen af ​​nanozymet for at opnå effektiv lindring af IBD i dyremodeller. Arbejdet viste fremragende ROS-fjernende aktiviteter til inflammatorisk behandling og giver en lovende metode til at konstruere nanozymer med flere aktive steder til yderligere anvendelse i biomedicin.

© 2020 Science X Network