Advanced Materials:蛋白纳米酶:仿生设计与缺血再灌注损伤治疗

缺血再灌注损伤是缺血组织血液再灌注时引起比缺血更严重的损伤,在临床上是常见的症状,其致病机理复杂,而缺血-再灌注的过程往往也伴随着缺氧-复氧的过程,线粒体呼吸链在这过程中会突发产生大量的超氧自由基(O2•-),这也是导致组织损伤的主要诱因之一。经过亿万年进化,细胞内已形成大量的氧化还原酶来维持胞内氧化还原稳态,其中主要负责清除O2•-的是超氧化物歧化酶(SOD),在哺乳动物细胞内,SOD酶主要包括三种亚型,线粒体Mn-SOD,胞质Cu/Zn-SOD和胞外Cu/Zn-SOD。

本研究基于合成生物学从头设计(de novo design)的理念,选用人源铁蛋白重链重组蛋白(FTn)作为蛋白骨架,利用其自身天然亲和金属离子的能力,合成了可靶向细胞内线粒体的铁蛋白Mn-SOD纳米酶(Mito-Fenozyme)。结果显示,该纳米酶具有较高的SOD酶活性,并且显示出比较好的过氧化氢酶(CAT)活性,更为有意思的是,该纳米酶未展现出明显的过氧化物酶(POD)活性。而纳米酶材料基本都会具有一定的POD活性,这一特性不仅能够通过SOD-CAT级联反应有效清除O2•-,还能避免由POD诱导产生高细胞毒性的羟基自由基(OH•-)。细胞试验也进一步证实了,该纳米酶具有靶向线粒体能力及清除线粒体来源O2•-的优势。

(a)Mito-Fenozyme的设计;(b)FTn与Mito-Fenozyme电镜图;(c)Mito-Fenozyme酶学特性示意图;(d)细胞内线粒体靶向能力;(e)Mito-Fenozyme通过级联反应有效清除胞内线粒体O2•-

在这之前的研究中,他们也发现组织缺氧情况下,会高表达铁蛋白的受体(PNAS, 2017; ACS NANO 2019;Biomaterials,2020)。组织缺血也会伴随着缺氧的发生,本研究也发现铁蛋白能够靶向缺血再灌注心脏组织,并且呈现出在缺血区域聚集分布的特点。尾静脉注射小鼠模型后,能有效的缓解心脏组织损伤导致的心脏功能衰减。

(a)FTn在缺血再灌注心脏的靶向能力;(b)FTn在心脏组织缺血区的分布情况;(c)心脏超声证明Mito-Fenozyme在缓解缺血再灌注心脏组织损伤上的效果。

除了通过全身靶向递送外,本研究也将Mito-Fenozyme与高粘性心脏补片(patch)复合,制备了可直接贴到心脏缺血部位的纳米酶补片(Mitofegel)。研究证实,纳米酶补片通过非侵入方式局部贴到心脏缺血部位,具有长时间的滞留效果,复合的纳米酶材料能够有效的实现在心脏组织的深度渗透,从而对心脏组织起到保护作用。

(a)高粘性心脏补片水凝胶扫描电镜图;(b)补片与心脏粘合;补片在心脏的(c)滞留和(d)渗透;(e)马氏染色验证Mitofegel对心脏组织坏死的保护作用。

本研究基于重组铁蛋白作为蛋白骨架,利用其自身的特性,生物仿生设计了可靶向缺血心脏组织及线粒体的纳米酶,并验证了它们在保护缺血再灌注动物模型上的作用。以蛋白作为骨架来从头设计纳米酶能够更好的贴近酶的特性,为未来纳米酶的设计提供了新的选择。

相关工作以“Biomimetic Design of Mitochondria-Targeted Hybrid Nanozymes as Superoxide Scavengers”为题,发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202006570.)。南开大学黄兴禄教授、孔德领教授、庄洁副教授为论文共同通讯作者。